CC BY
170Статья поступила в редакцию 18.12.12. Ред. рег. № 1483
The article has entered in publishing office 18.12.12. Ed. reg. No. 1483
УДК 579.6, 606
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА С ПОМОЩЬЮ МИКРООРГАНИЗМОВ
И МИКРОБНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ОСНОВЕ УТИЛИЗАЦИИ ИНГРЕДИЕНТОВ СТОЧНЫХ ВОД
И РАЗЛИЧНЫХ ОТХОДОВ
1 2 2 2 С.А. Марков , Е. С. Протасов , В.А. Быбин , Д.И. Стом
'Государственный университет им. Остина Пи, кафедра биологии а/я 4718, Кларксвилл, штат Теннесси, 37044, США Тел.: 1 (931) 221-7440, факс: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu 2Иркутский Государственный университет, НИИ биологии 664003 Иркутск, ул. Ленина, д. 3 Тел.: 9086478140, факс: 3952-34-00-07, e-mail: stomd@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 25.12.12 Заключение совета экспертов: 27.12.12 Принято к публикации: 29.12.12
В обзоре коротко обобщены литературные данные о получении молекулярного водорода из микроорганизмов с одновременным утилизированием компонентов сточных вод и различных отходов. Обсуждаются различные отходы и их относительные преимущества для получения молекулярного водорода. Специальный раздел посвящен получению водорода из микроорганизмов в биореакторах с одновременным использованием отходов. Для продукции водорода и утилизации отходов предлагается использовать биореакторы с полыми волокнами, которые широко применяются для очистки сточных вод.
Ключевые слова: биоводород, отходы-в-энергию, биореакторы.
HYDROGEN PRODUCTION BY MICROORGANISMS AND MICROBIAL FUEL CELLS USING WASTEWATER AND WASTE PRODUCTS
S.A. Markov1, E.S. Protasov2, V.A. Bybin2, D.I. Stom2
'Austin Peay State University, Department of Biology Clarksville, Tennessee, 37044, USA Tel.: 1 (931) 221-7440, fax: 1 (931) 221-6323, e-mail: markovs@apsu.edu 2Irkutsk State University, Research Institute of Biology 3 Lenin str., Irkutsk, 664003, Russia Tel.: 9086478140, fax: 3952-34-00-07, e-mail: stomd@mail.ru
Referred: 25.12.12 Expertise: 27.12.12 Accepted: 29.12.12
The review briefly surveys data on molecular hydrogen production using microorganisms and microbial fuel cells based on waste products and wastewater. Types of wastes and their relative advantage for molecular hydrogen production are discussed. Particular attention in the review is given to hydrogen production in bioreactors using waste. For hydrogen production with simultaneous waste utilization authors proposed to use hollow-fiber bioreactors which currently used for wastewater treatment.
Keywords: biohydrogen, waste-to-energy, bioreactors.
Mf #/
Сергей Арленович Марков
Сведения об авторе: канд. биол. наук, профессор Гос. университета им. Остина Пи. Основные места работы:
Московский гос. университет, биологический факультет; Королевский Колледж Лондонского университета, Англия;
Институт Возобновляемых Источников Энергии Министерства Энергетики США, Голден, штат Колорадо, США;
Государственный университет им. Маршалла, штат Западная Виргиния, США; Частный Университет им. ДеРо, штат Индиана, США. Награды и научные премии: Премия Хавкинса (2011) за научную работу. Область научных интересов: получение возобновляемых источников энергии (водород, биодизельное топливо и этанол) из микроорганизмов. Публикации: более 120.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Евгений Станиславович Протасов
Сведения об авторе: лаборант НИИ биологии Иркутского гос. университета, Национально-исследовательский политехнический университет.
Область научных интересов: микробные топливные элементы, получение возобновляемых источников энергии (водород, этанол, метан, биодизель) с помощью микроорганизмов, очистка сточных вод.
Публикации: 6.
Дэвард Иосифович Стом
Сведения об авторе: д-р биол. наук, профессор Иркутского государственного университета, НИИ биологии.
Награды и научные премии: Изобретатель СССР, «За отличные успехи в работе» Министерства высшего и среднего специального образования РСФСР.
Область научных интересов: процессы трансформации и элиминирования ксенобиотиков, изучение взаимосвязи между токсичностью загрязнителей и их химическим строением; разработка комплекса высокочувствительных экспрессных методов биотестирования природных и сточных вод.
Публикации: более 400.
Введение
Рост потребления энергии и охрана окружающей среды - это две основные тенденции, заставляющие человечество искать новые источники энергии. Живые организмы сыграли ключевую роль в формировании топлива, используемого нами в настоящее время: угля, нефти и газа. Миллионы лет назад эти топлива являлись клеточным органическим материалом, сформированным в результате биохимических реакций. В результате ряда случайных геологических событий этот первичный биологический материал превратился в топливо. В настоящее время в связи с развитием биотехнологии живые организмы вновь могут сыграть решающую роль в развитии новых источников энергии - различных видов биотоплива. Одним из перспективных типов биотоплива может стать выделяемый некоторыми микроорганизмами молекулярный водород (Н2). Микроорганизмы также могут быть использованы для получения водорода и в так называемых микробных топливных элементах (МТЭ). Более того, помимо получения водорода микроорганизмы могут быть средством для утилизации ингредиентов сточных вод и различных отходов и удаления углекислого газа из атмосферы. Наше современное общество производит огромное количество отходов. Одним из решений удаления отходов с нашей планеты является превращение (биоконверсия) отходов в топливо [1].
Молекулярный водород может быть идеальным топливом для транспорта [2]. Количество энергии, запасенной в водороде, превышает в три раза количество энергии, запасенной в бензине. Использование его для транспорта не сопровождается выделением токсических веществ, а только воды. Водород легко хранить и транспортировать. Водород долгое время применялся как топливо для космических ракет (челноков) в США. Многие компании, которые производят автомобили, имеют сейчас готовые прототипы машин, использующих водород. Используемые в настоящее время способы получения водорода неэкономичны и невозобновляемы; для получения водорода используются либо ископаемые виды топлива, такие как нефть и газ, или неэффективные методы, такие как электролиз. Поэтому нужно найти эффективный и не загрязняющий окружающую среду метод получения водорода. Биологическое производство водорода - это как раз такой «зеленый» и обещающий дешевизну метод. Большое количество микроорганизмов (бактерий и водорослей) выделяет Н2 из неорганических соединений (например воды) или органических соединений (например сахара) в реакциях, катализируемых ферментами гидрогеназой или нитрогеназой [3-4]. Водород, выделяемый микроорганизмами, называют еще биоводородом. Получение водорода из микроорганизмов очень заманчиво и может найти практическое применение в ближайшем будущем. Биологически водород может
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
быть получен либо из воды путем биофотолиза, либо путем брожения. Получение водорода из воды очень заманчиво, но далеко от практического применения [5]. На сегодняшний день более перспективно и практично получать водород из микроорганизмов путем брожения по формуле
[СН20]И ^ Н2
Органическое вещество
1. Получение водорода из микроорганизмов при утилизации отходов
В настоящее время известно два метода получения водорода с помощью микроорганизмов из отходов: темновое брожение и фотоброжение.
1.1. Темновое брожение
Многие бактерии могут выделять водород в результате темнового брожения, используя для этого органические соединения [6]: [CH2O]n ^ СО2 + H2.
Именно такие микроорганизмы можно использовать для утилизации ингредиентов сточных вод и различных органических отходов.
Бактерии, выделяющие водород путем темнового брожения, найдены среди представителей 25% родов бактерий, представленных в последнем издании определителя бактерий Берги [7]. Среди этих бактерий есть такие известные виды, как Escherichia coli, а также патогенные для человека бактерии, такие как Salmonella. Способность бактерий выделять водород известна еще с 19 века [8]. Фермент гидрогеназа катализирует этот процесс в анаэробных (бескислородных) условиях. Скорость образования водорода бактериями, осуществляющими брожение (400-650 мл в час на 1 г сухой клеточной биомассы), намного выше по сравнению со скоростью образования водорода другими микроорганизмами, например фотосинтетическими (таблица).
Скорости выделения водорода различными микроорганизмами
Release rate of hydrogen by various microorganisms
Микроорганизм Скорость выделения водорода в миллилитрах Н2 на грамм сухой клеточной биомассы в час Ссылка
Сhlamydomonas reinhardtii (водоросль) до 5,5 [5]
Anabaena variabilis (цианобактерия) до 20 [10]
Enterobacter aerogenes (бактерия) 400-650 [11-13]
1.1.1. Брожение сахаров с образованием водорода Многочисленные иссследования были посвящены выделению водорода при сбраживании сахаров бактериями. Эти исследования показали энергетическую неэффективность образования водорода при брожении, теоретически до 30% от энергии, заключенной в сахарах. В настоящее время выход водорода для E. тН не превышает 2,0 молей Н2/моль глюкозы. В теории из одного моля глюкозы может быть генерировано 12 молей Н2. Наряду с выделением водорода при сбраживании, например, глюкозы происходит образование других продуктов, например уксусной кислоты. Так, E. тН ферментирует глюкозу согласно уравнению [9]
Глюкоза ^ этиловый спирт + сукцинат + + лактат + уксусная кислота + Н2 + С02
В этих продуктах и содержится остаток невысво-божденной энергии. К тому же стоимость органических веществ - исходных субстратов для выделения водорода, таких как сахара или крахмал, относительно высока и их нет в достаточном количестве.
Было сделано несколько попыток для того, чтобы улучшить выход водорода при брожении, главным образом используя генетическую инженерию [14-16], но это пока не привело к большому прогрессу в области получения водорода из сахаров путем темно-вого брожения. Выход водорода в темновом брожении сахаров бактериями не превышал 16,6%.
Недавно был предложен альтернативный способ получения водорода при совместном использовании водорослей и бактерий [17]. Вкратце предполагаемый процесс основан на использовании водорослей, выращиваемых в прудах для получения из них крахмала. Этот крахмал предполагается затем использовать для производства водорода при бактериальном брожении. Для этого процесса могут быть использованы термостабильные бактерии, эффективность образования водорода при брожении которых может составлять до 83% от энергии, заключенной в используемом органическом веществе. Преимуществом нового метода является применение солнечной энергии и воды (для выращивания водорослей) при производстве водорода. Недостатком являются низкие скорости образования водорода термостабильными бактериями [18].
1.1.2. Получение водорода при сбраживании сельскохозяйственных отходов Чистые сахара, несмотря на неэффективность выделения из них водорода, были бы предпочтительны для практического применения. К сожалению, чистые сахара недешевы, а также являются пищей для людей. Несомненный интерес в прикладном плане представляет использование отходов (включая ряд сельскохозяйственных, индустриальных и бытовых отходов) как дешевых органических сред для роста бактерий и получения из них водорода.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Целлюлоза
Многие отходы сельского хозяйства, а также индустриальные отходы (бумажная и пищевая промышленность) содержат целлюлозу. Целлюлозу можно использовать в качестве сырья для брожения и получения водорода. Ряд бактерий способен сбраживать это вещество, составляющее основу клеточных стенок растений и некоторых водорослей. Целлюлоза - это самое распространенное органическое вещество на планете. Немногие бактерии (например Clostridium), а также грибы могут сбраживать целлюлозу. Lay продемонстрировал брожение целлюлозы бактериями в водород с выходом 102 мл H2 на грамм целлюлозы [19]. К сожалению, в энергетическом отношении сбраживание целлюлозы представляет еще большую проблему по сравнению с брожением чистых сахаров - происходит большая потеря энергии субстрата целлюлозы.
1.1.3. Получение водорода при сбраживании промышленных отходов
Глицерин
Глицерин в последнее время стал дешевым веществом в связи с переизбытком его производства в биодизельной промышленности [20]. Глицерин является сопутствующим продуктом превращения растительного масла в биодизельное топливо. Около 10% глицерина образуется на каждый литр масла при производстве биодизельного топлива. Мировая продукция глицерина достигла 12 миллиардов литров в 2010 г. В настоящее время глицерин из биодизельной промышленности сжигается. Его сжигание неблагоприятно влияет на окружающую среду, включая парниковый эффект. Однако глицерин может быть использован для производства молекулярного водорода через процесс его сбраживания бактериями.
Несколько бактерий способны превращать глицерин в водород. Это штаммы бактерий Klebsiella, Citrobacter, Clostridium, Enterobacter, and E. coli [6, 21]. Наиболее важно, что бактерии, такие как Enterobacter, ферментируют глицерин в бескислородных условиях в водород с минимальным количеством других продуктов [6].
Отходы пищевой промышленности
Несколько лабораторий исследовало получение молекулярного водорода из различных отходов пищевой промышленности [22-23]. Так, Гинкел и др. [22] получили до 0,9 литров H2 на литр воды, содержащей яблочные отходы, и 2,1-2,8 литров на литр воды с картофельными отходами. Проблема с отходами пищевой промышленности (так же как с другими отходами) - это их непостоянный состав (по органическому веществу), что затрудняет количественную оценку выделения водорода в лабораторных условиях и сравнения скоростей выделения с выделением водорода, например из чистых углеводов.
1.1.4. Получение водорода на основе утилизации ингредиентов сточных вод
Органические вещества сточных вод Можно сочетать производство водорода с очисткой сточных вод. Сточные воды содержат большое количество органических веществ для брожения. Обычно конечный продукт такого брожения - метан, который выделяется архибактериями. Бактерии выделяют водород, углекислый газ и кислоты при брожении, а архибактерии метаболизируют эти продукты в метан. Образование метана идет через стадию образования водорода. Теоретически можно остановить процесс на уровне водорода. Установки для образования метана уже действуют в ряде стран, включая США, Китай и Индию. Их можно будет использовать также и для получения водорода. Проблема здесь - неэффективность сбраживания органического вещества сточных вод в водород (как и для сахаров). Только малая часть энергии, заключенной в органических веществах (см. выше), высвобождается при этом процессе по сравнению с 80-90% энергии при образовании метана. Повышение выхода энергии при выделении водорода из сточных вод требует больших исследовательских усилий. Например, можно изменить биохимию процесса брожения путем так называемой метаболической инженерии [24]. Другой проблемой при массовом производстве водорода может стать ограниченное количество сточных вод и их неустойчивый состав. Тем не менее, сбраживание компонентов сточных вод, как и других отходов, описанных выше, является перспективной технологией, так как представляет собой сопутствующий процесс утилизации отходов.
Еще более выгодным кажется производство водорода в виде сопутствующего продукта при получении ряда высокоценных и требуемых в больших количествах веществ. Водород может быть получен, например, при производстве уксусной кислоты.
Неорганические вещества сточных вод Сточные воды содержат большое количество неорганических соединений азота и фосфора. Так, одним из нежелательных азотных загрязнителей в воде являются ионы аммония. Нитрат и нитрит - другие возможные азотные загрязнители в сточных водах. Фосфаты - это фосфорные загрязнители воды. Сбрасывание сточных вод, содержащих неорганические соединения азота и фосфора, обратно в водоемы нежелательно, так как это стимулирует «цветение» воды или активный рост водорослей. Вместо того чтобы выливать сточные воды в водоемы, можно пропускать их через биореакторы с бактериями или микроводорослями и в то же время получать водород из них. Микроорганизмы будут поглощать азотные и фосфорные соединения из воды, так как они нужны им для роста (для синтеза их белков и ДНК).
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
1.2. Фотоброжение При фотоброжении цианобактериями или фотосинтетическими бактериями водород выделяется из органических соединений [25-28]. Многие органические соединения, такие как сахароза, фруктоза, малат и др., могут разлагаться бактериями в присутствии света с полным высвобождением энергии. Единственными продуктами такого метаболизма являются только Н2 и СО2. Потенциальная проблема, связанная с практическим использованием цианобактерий и фотосинтетических бактерий, - это использование ими энергетически неэффективного фермента - нит-рогеназы. Цианобактерии и фотосинтетические бактерии выделяют водород во время азотфиксации по формуле
N + 6е- + 6Н+ + 16АТФ ^ ^ 2КН4+ + 16АДФ + 16Фн + Н2,
где АТФ - аденозинтрифосфорная кислота; АДФ -аденозиндифосфорная кислота и Фн - фосфор неорганический.
Около 40% клеточной энергии, запасенной в виде АТФ, тратится на поддержание нитрогеназы. Таким образом, катализируемое нитрогеназой выделение водорода - очень энергозависимый процесс. Скорости такого выделения водорода очень низки по сравнению с темновым брожением (цианобактерии -таблица). Другая проблема с нитрогеназой - это подавление этого фермента в присутствии ионов аммония [8]. Ионы же аммония присутствуют в больших количествах в сточных водах.
Преимуществом фотоброжения является тот факт, что цианобактерии и фотосинтетические бактерии дополнительно, кроме утилизации органических отходов, можно использовать также для удаления СО2, например, из выхлопных газов тепловых электростанций и других производств. Выхлопные газы содержат высокий процент углекислого газа (до 20% С02). Типичная тепловая электростанция, работающая на угле, выбрасывает в атмосферу до 13% С02. Таким образом, тепловые электростанции являются одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха С02, который вызывает глобальное потепление. Очистка выхлопных газов от СО2 приведет к стабилизации атмосферного содержания СО2 и предотвратит глобальное потепление. Цианобактерии и фотосинтетические бактерии поглощают С02 в процессе роста, таким образом они могут быть использованы для удаления С02 из выхлопных газов тепловых электростанций и других производств [29]. В этом смысле на начальных этапах внедрения бактериальной технологии для производства водорода средства, получаемые от торговли углеродным кредитом, будут играть существенную роль.
1.3. Биореакторы для производства водорода микроорганизмами Биореакторы - это приборы для контролируемого роста микроорганизмов и получения из них водорода.
1.3.1. Биореакторы для темнового брожения
Традиционные ферментеры, так называемые биореакторы-баки, используемые, например, в пивоварении, можно применять для получения водорода при использовании брожения.
Биореакторы с иммобилизованными (прикрепленными) бактериями также могут быть использованы для получения водорода путем темнового брожения. Считается, что иммобилизация повышает физиологические функции бактерий. Многие бактерии существуют в природе в иммобилизованном состоянии, на частичках почвы или в симбиозе с другими организмами. В последнее время широкое распространение получили биореакторы с клетками, иммобилизованными на полых волокнах [30-31]. Полые волокна могут быть разных размеров и диаметра. Все они, однако, сделаны из полупроницаемых мембран. Полые волокна изначально были разработаны для использования в качестве фильтров (например, для аппаратов «искусственная почка»). У биореакторов с полыми волокнами много потенциальных преимуществ [30], таких как:
- автоматическое отделение продукта от клеток микроорганизмов;
- большая пропорция (отношение) между поверхностью полых волокон и объемом биореактора, что позволяет делать компактные системы;
- высокая стабильность культур микроорганизмов в прикрепленном состоянии.
Биореакторы с полыми волокнами были успешно испытаны для получения водорода бактериями Enterobacter aerogenes из глицерина [12]. Небольшие молекулы и газы свободно проходят через мембрану полых волокон, клетки же, в связи с их размерами, не могут проходить через мембрану. Таким образом, биореакторы с полыми волокнами позволяют быстро отделять водород от клеточной суспензии. Бактериальные клетки растут на полых волокнах. Биореактор, который успешно использовался для сбраживания глицерина, состоял из пластиковой колонки (AM-40M-SD, Asahi Medical CO., Япония) с полыми волокнами диаметром 180 мкм. Объем колонки биореактора 48 мл, а общая площадь полых волокон - 0,8 м2. Большая разница между поверхностью и объемом биореактора позволяла построить компактную систему с высокой плотностью клеток внутри. Биореактор был построен так, что глицерин (2% в питательной неорганической среде) с помощью насоса поступал из внешнего пространства волокон внутрь колонки биореактора. Бактерии были иммобилизованы на внешней стороне полых волокон. Максимальное выделение водорода в биореакторе 30 мл в час. Водород, полученный в биореакторе с полыми волокнами, был непосредственно использован в топливных элементах.
С.А. Марковым и его коллегами также получены предварительные данные по конверсии глицерина в водород бактериями E. aerogenes в традиционном ферментере [13]. Наибольшие скорости получения
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Н2 наблюдались также при 2% концентрации глицерина в питательной минеральной среде. Е. aerogenes конвертировал глицерин в Н2 в ферментере с высоким выходом (0,89 моль/моль) и показал высокие скорости выделения Н2 (650 мл на 1 г сухой биомассы в час).
В настоящее время биореакторы с полыми волокнами широко используются для очистки сточных вод [32]. Таким образом, можно легко совместить очистку сточных вод с производством водорода (рисунок).
насос т
клетки -\\
•Л Ч Ч IAJLHJUU UU /
отходы 'полые волокна
Схема биореактора с полыми волокнами для производства водорода из отходов
Scheme of the hollow fiber bioreactor for the production of hydrogen from waste
Биореакторы с полыми волокнами могут быть также использованы для очистки воды от нитратов, нитритов, фосфатов и ионов аммония.
1.3.2. Фотобиореакторы для фотоброжения
Для фотоброжения необходимы особые биореакторы - фотобиореакторы. Фотобиореакторы - это приборы для оптимального культивирования и функционирования фотосинтетических микроорганизмов (или получения водорода из них) на свету. Для того чтобы использовать фотобиореакторы в промышленных масштабах, необходимо, чтобы они обеспечивали наиболее эффективное использование солнечной энергии и позволяли контролировать чистоту культуры микроводорослей и необходимые условия культивирования.
К настоящему времени имеется большое количество работ по дизайну и оптимизации фотобиореак-торов для выращивания микроорганизмов [33-36]. Фотобиореактор должен быть простым, недорогим, позволяющим достигать высокой концентрации клеток, энергетически эффективным, позволяющим легко увеличить его до промышленного образца. Наиболее распространенный тип недорогого фотобиоре-актора в настоящее время, описанный в литературе, - это фотобиореактор в виде удлиненного мешка, сделанный из прозрачного пластика (полиэтилена). Мешки обычно тонкие, до 30 см глубиной, что позволяет свету легко проникать вглубь клеточной суспензии. Для более эффективного освещения культуру микроорганизмов нужно также при этом перемешивать. Перемешивание достигается либо про-булькиванием фотобиореакторов воздухом, либо
механическим путем. Для того чтобы использовать такие фотобиореакторы на открытом воздухе, необходимо иметь систему охлаждения в течение летних месяцев или поздней весной. Это может быть тепловой обменник или дождевальная установка.
Значительное число исследований по фотобиоре-акторам лабораторного масштаба было проведено в прошлом [35-37]. Такие исследования были необходимы на ранних этапах разработки фотобиореакто-ров для производства водорода, чтобы выяснить условия культивирования микроорганизмов, такие как состав питательной среды, рН, температурные условия и т. д.
Были также предприняты неоднократные попытки выращивания микроорганизмов в пилотных установках под открытым небом [36, 38]. Несколько типов фотобиореакторов были испытаны для выращивания микроорганизмов [39].
Одновременно с получением водорода фотобио-реакторы можно также использовать для удаления СО2 из выхлопных газов тепловых электростанций. Эта идея была известна давно [40]. Марков и другие [41] использовали фотобиореактор с полыми волокнами и с цианобактерией Anabaena variabilis для поглощения CO2 из воздуха, который циркулировал внутри фотобиореактора, с одновременной продукцией водорода. К сожалению, невозможно было одновременно оптимально удалять CO2 из воздуха и получать водород: цианобактерии наиболее эффективно поглощали CO2 при его концентрации 70% в воздухе, тогда как наибольшая скорость выделения водорода наблюдалась при 5% CO2 в воздухе.
Несколько компаний продают фотобиореакторы для культивирования микроорганизмов. Так, компания Sartorius продает «CultiBag» биореакторы объемом до 600 л, которые можно использовать для выращивания фотосинтетических микроорганизмов. В основе биореактора - полиэтиленовый мешок, расположенный на двигающейся платформе, что позволяет перемешивать суспензию микроорганизмов. Биореакторы Sartorius снабжены системой контроля, при помощи которой можно регулировать подачу СО2 или следить за рН среды культивирования микроорганизмов. Такие биореакторы не пробулькива-ются углекислым газом, так как это может вызвать подкисления среды роста микроорганизмов. Углекислый газ поступает в газовую фазу такого фото-биореактора под давлением, и микроорганизмы в жидкой среде роста получают углекислый газ путем естественной диффузии. Такие фотобиореакторы были успешно использованы в лаборатории для выращивания зеленых водорослей [42] и поглощения ими СО2 и органических веществ. Продуктивность такого фотобиореактора была намного выше (3-4 грамма сухой биомассы водорослей на литр культуры в день) продуктивности, описанной в литературе, - oколо 1 грамма сухой биомассы водорослей на литр культуры в день [43]. Такой биореактор был нами модифицирован: полиэтиленовый мешок с во-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 ЛЛ э © Научно-технический центр «TATA», 2013 '
дорослями помещен на поверхность воды небольшого бассейна (так называемый фотобиореактор «плавучий мешок»). Мы использовали вентилятор для получения волн на поверхности бассейна, таким образом взбалтывая суспензию водорослей в пластиковом мешке. Продуктивность этого фотобиореактора была также высокая (до 4 граммов сухой биомассы водорослей на литр культуры в день).
2. Получение водорода в микробных топливных элементах при утилизации отходов
Клетки микроорганизмов генерируют электроны во время брожения:
СН^ + Н2О ^ С02 + Н+ + е-.
Эти электроны можно захватить в так называемых микробных топливных элементах (МТЭ) и использовать для получения электричества или водорода. Микроорганизмы и субстрат брожения находятся в анаэробных условиях анодной камеры МТЭ. В данном отсеке МТЭ также содержится анод, электрод, на который микроорганизмы «сбрасывают» электроны. В другом отсеке, катодной камере, находится, соответственно, катод. Для разделения анодной и катодной камер используются специальные протонообменные мембраны, которые осуществляют однонаправленный перенос протонов, образовавшихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, из анодной камеры в катодную. Теоретическая возможность данного процесса была показана еще в 1910 г. английским ботаником Поттером [44], но полноценная техническая реализация стала возможной лишь в наши дни благодаря развитию технологии протонообменных мембран, играющих важную роль в МТЭ, а также получению чистых культур микроорганизмов-электрогенов (т. е. тех, кто может в анаэробных условиях эффективно разлагать органические субстраты и напрямую передавать электроны на анод).
Микробные топливные элементы в настоящее время рассматриваются как один из возможных путей для утилизации компонентов сточных вод, пищевых и других отходов, так как микроорганизмы потребляют органические вещества из отходов и генерируют электричество [45-47]. Разные виды сточных вод были использованы в последнее время, включая синтетические, индустриальные и бытовые сточные воды [48-50].
Получение электричества в микробных топливных элементах из-за низкой выходной мощности пока имеет очень ограниченное распространение. Так, например, они использовались в работе метеорологических буев в океане [51].
С другой стороны, микробные топливные элементы можно также использовать для получения молекулярного водорода на основе утилизации ингредиентов сточных вод [52].
В микробных топливных элементах протоны и электроны образуются на аноде:
С6Н^06 + Н20 ^ С02 + Н+ + е-.
На катоде же образуется молекулярный водород: 8Н++ 8е-^ 4Н2.
С помощью микробных топливных элементов можно повысить выход водорода при утилизации органических соединений (проблема, описанная выше). Выход водорода в микробных топливных элементах составляет 2,9 моля Н2/моль ацетата [52].
Если микробные топливные элементы соединить с продукцией водорода при посредстве темнового брожения, описанного выше (2,0 моля Н2/моль глюкозы), то можно получить в 4 раза больше водорода (примерно 8 молей Н2/моль глюкозы). Две молекулы ацетата производятся из одной молекулы глюкозы (2 моля Н2 из глюкозы + 2-2,9 моля Н2/моль ацетата = = 7,8 молей Н2).
Заключение
Результаты проведенного анализа литературы позволяют заключить, что наиболее практичным и простым методом получения водорода биологическим путем на сегодняшний день является способ его получения из отходов путем темнового бактериального брожения. Образование водорода при брожении энергетически неэффективно, тем не менее, имеет много преимуществ для практического применения по сравнению с другими способами биологического получения водорода. Этими преимуществами являются: высокие скорости образования водорода при брожении, использование относительно простых биореакторов, а также совмещение этого процесса с утилизацией отходов, что так или иначе нужно делать. Несколько практических примеров последнего времени подтверждают этот вывод. Так, водород был получен при использовании сточных вод около города Такома в Калифорнии (США). В этом случае водород использовался как топливо для автобусов и автопогрузчиков [53].
Основными требованиями для селекции отходов для получения молекулярного водорода путем брожения являются их цена, наличие в больших количествах и содержание органического вещества (в частности углеводов).
Биореакторы для производства водорода из отходов, основанного на брожении, такие как ферментеры и биореакторы с полыми волокнами, являются наиболее перспективными для практического применения и могут быть использованы уже сегодня.
С целью улучшения выхода водорода при утилизации ингредиентов сточных вод и различных отходов можно также соединить производство водорода путем темнового бактериального брожения в биореакторах с получением водорода в микробных топливных элементах.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Благодарности
Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.B37.21.1225 от 18.09.12). Работа также частично поддерживалась Министерством образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.B37.21.078524 от августа 2012 г.).
С.Марков выражает признательность Austin Peay State University (Summer Faculty Research Program).
Список литературы
1. Nebel B.J. and Wright R.T. Environmental Science: Towards a Sustainable Future. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 2008.
2. Cammack R., Frey M., Robson R.L. Hydrogen as Fuel: Learning from Nature. London: Taylor & Francis, 2001.
3. Das D., Dutta T., Nath K., Kotay S. M., Das A. K., Veziroglu T.N. Role of Fe-hydrogenase in biological hydrogen production // Current Science. 2006. Vol. 90, No. 12. P. 1627-1637.
4. Prince R.C., Kheshgi H.S. The photobiological production of hydrogen: potential efficiency and effectiveness as a renewable fuel // Critical Review in Microbiology. 2005. Vol. 31. P. 19-31.
5. Melis A., Happe T. Trails of green alga hydrogen reserch - from Hans Gaffron to new frontiers// Photosynthesis research. 2004. Vol. 80. P. 401-409.
6. Ito T., Nakashimada Y., Senba K., Matsui T., Nishio N. Hydrogen and ethanol production from glycerol-containing wastes after biodiesel manufacturing process // Journal of Bioscience and Bioengineering. 2005. Vol. 100. P. 260-265.
7. Tanisho S. Why and how much hydrogen bacteria evolve by fermentation // Hydrogen 2004. Abstracts 15th World Hydrogen Energy Conference, June 27 - July 2, 2004, Yokohama, Japan. 2004. P. 112.
8. Кондратьeва Е.Н., Гоготов И.Н. Молекулярный водород в метаболизме микроорганизмов. М.: Наука, 1981.
9. Madigan M.T., Martinko J.M., Stahl D. and Clark D.P. Brock Biology of Microorganisms (thirteenth edition). Boston: Benjamin Cummings, 2012.
10. Tamagnini P., Axelsson R., Lindberg P., Oxelfelt F., Wunschiers R., Lindblad P. Hydrogenases and hydrogen metabolism of cyanobacteria // Microbiology and Molecular Biology Review. 2002. Vol. 66, No. 1. P. 1-20.
11. Tanisho S. Feasibility study of biological hydrogen production from sugar cane by fermentation // Hydrogen Energy Progress XI. Proc. 11th World Hydrogen Energy Conference, Stuttgart, Germany, 2328 June 1996. 1996. Vol. 3. P. 2601-2606.
12. Markov S.A. and Waldron B. Hollow-fiber bioreactor for glycerin conversion into H2 by bacterium Enterobacter aerogenes // International Scientific Journal of Alternative Energy and Ecology - ISJAEE.
2010. Vol. 88, No. 8. P. 130-134.
13. Markov S.A., Averitt J. and Waldron B. Bioreactor for glycerol conversion into H2 by bacterium Enterobacter aerogenes // Int. J. Hydrogen Energy.
2011. Vol. 36. P. 262-266.
14. Yoshida A., Nishimura T., Kawaguchi H., Inui M., Yukawa H. Enhanced hydrogen production from formic acid by formate hydrogen lyase-overexpressing Escherichia coli strains// Appl. Environ. Microbiol. 2005. Vol. 71. P. 6762-6768.
15. Maeda T., Sanchez-Torres V., Wood T.K. Metabolic engineering to enhance bacterial hydrogen production // Microb. Biotech. 2008. Vol. 1. P. 30-39.
16. Kim S., Seol E., Oh Y.K., Wang G.Y., Park S. Hydrogen production and metabolic flux analysis of metabolically engineered Escherichia coli strains // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34. P. 7417-7427.
17. Benemann J.R. A photobiological hydrogen production process // Presentation at National Hydrogen Association Meeting, Hollywood, CA, April 27, 2004. 2004. P. 1-14.
18. Willquist K., Zeidan A.A, van-Niel W.E. Physiological characteristics of the extreme thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus:an efficient hydrogen cell factory // Microbial Cell Factories. 2010. Vol. 9. P. 1-17.
19. Lay J.J. Biohydrogen generation by mesophilic anaerobic fermentation of microcrystalline cellulose // Biotechnol. Bioeng. 2001. Vol. 74. P. 281-287.
20. Temudo M.F., Poldermans R., Kleerebezem R., van Loosdrecht M.C.M. Glycerol Fermentation by (open) mixed cultures: A chemostat study // Biotechnol. Bioeng. 2008. Vol. 100. P. 1088-1098.
21. Yazdani S.S., Gonzalez R. Anaerobic fermentation of glycerol: a path to economic viability for the biofuels industry // Current Opinion in Biotechnology. 2007. Vol. 18. P. 213-218.
22. Ginkel S.V., Oh S.E., Logan B.E. Biohydrogen production from food processing and domestic wastewaters // Int J Hydrogen Energy. 2005. Vol. 30. P. 1535-1542.
23. Kapdan I.K. and Kargi F. Bio-hydrogen production from waste materials // Enzyme and Microbial Technology. 2006. Vol. 38. P. 569-582.
24. Keasling J.D. Manufacturing molecules through metabolic engineering // Science. 2010. Vol. 330. P. 1355-1358.
25. Lueking D., Tokunisa D., and Sojka G. Glycerol assimilation by a mutant of Rhodopseudomonas capsulate // J. Bacteriol. 1973. Vol. 115. P. 897-903.
26. Schütz K., Happe T., Troshina O., Lindblad O., Leitäo E., Oliveira P., Tamagnini P. Cyanobacterial H2 production - a comparative analysis // Planta. 2004. Vol. 218. P. 350-359.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01/2 (118) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
27. Antal T.K., Lindblad P. Production of by sulphur-deprived cells of the unicellular cyanobacteria Gloeocapsa alpicola and Synechocystis sp. PCC 6803 during dark incubation with methane or at various extracellular pH // J. Appl. Microbiol. 2005. Vol. 98. P.114-120.
28. Basak N. and Das D. The prospect of purple non-sulfur (PNS) photosynthetic bacteria for hydrogen production: The present state of the art // World J. Microbiol. Biotechnol. 2007. Vol. 23. P. 31-42.
29. Maeda K., Owada M., Kimura N. and Karube I. CO2 fixation from the flue gas on coal-fired thermal power plant by microalgae // Energy Conversion Management. 1995. Vol. 36. P. 717-720.
30. Bunch A.W. The use and future potential of microbial hollow-fibre bioreactors // Journal of Microbiological Methods. 1988. Vol. 8. P. 103-119.
31. Markov S.A., Lichtl R., Rao KK. and Hall D.O. A hollow-fiber photobioreactor for continuous production of hydrogen by immobilized cyanobacteria under partial vacuum // Int. J. Hydrogen Energy 1993. Vol. 18. P. 901-906.
32. Shannon M.A., Bohn P.W., Elimelech M., Georgiadis J. G., Mariñas B.J. and Mayes A.M. Science and technology for water purification in the coming decades // Nature. 2008. Vol. 452. P. 301-310.
33. Markov S.A. Bioreactors for hydrogen production // O.R.Zaborsky (ed.) Biohydrogen, 1998. P. 393-390.
34. Janssen M., Tramper J., Mur L.R. and Wijffels R.H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up and future prospects // Biotechnology and Bioengineering. 2003. Vol. 81. P. 193-210.
35. Carvalho A.P., Meireles L.A. and Malcata F.X. Microalgal reactors: a review of enclosed system designs and performances // Biotechnology Progress. 2006. Vol. 22. P. 1490-1506.
36. Ugwu C.U., Aoyagi H. and Uchiyama H. Photobioreactors for mass cultivation of algae // Bioresour. Technol. 2008. Vol. 99. P. 4021-4028.
37. Chisti Y. Biodiesel from microalgae // Biotechnol. Adv. 2007. Vol. 25. P. 294-306.
38. Tredici M.R., Zittelli G.C., Benemann J.R. A tubular integral gas exchange photobioreactor for biological hydrogen production // O.R. Zaborsky (ed.) Biohydrogen. 1998. P. 391-401.
39. Szyper J.P., Yoza B.A., Benemann J.R., Tredici M., Zaborsky O.R. Internal gas exchange photobioreactor // O.R. Zaborsky (ed.) Biohydrogen. 1998. P. 441-446.
40. Hall DO., Markov S.A., Watanabe Y. and Rao K.K. The potential application of cyanobacterial photosynthesis for clean technologies // Photosynthesis research. 1995. Vol. 46. P. 159-167.
41. Markov S.A., Bazin M.J. and Hall D.O. Hydrogen photoproduction and carbon dioxide uptake by immobilized Anabaena variabilis in a hollow-fiber photobioreactor // Enzyme and Microbial Technology. 1995. Vol. 17. P. 306-309.
42. Johansen R. and Markov S.A. Oil production from CO2 by microalgae in a photobioreactor using solar light as energy source // Journal of the Tennessee Academy of Science. 2011. Vol. 87. P. 70.
43. Pienkos P., Laurens L. and Aden A. Making Biofuel from Microalgae // American Scientist. 2011. Vol. 99. P. 474-481.
44. Potter M.C. On the difference of potential due to the vital activity of microorganisms // Proc. Univ. Durham Phil. Soc. 1910. Vol. 3. P. 245-249.
45. Logan B.E., Hamelers B., Rozendal R., Schroder U. Keller J., Freguia S., Aelterman P., Verstraete W. and Rabaey K. Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology // Environ. Sci. Technol. 2006. Vol. 40. P. 5181-5192.
46. Logan B.E. Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells // Nature Rev. Microbiol. 2009. Vol. 7. P. 375-381.
47. Logan B.E. Scaling up microbial fuel cells and other bioelectrochemical systems // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010. Vol. 85. P. 1665-1671.
48. He Z., Minteer S.D., Angenent L.T. Electricity generation from artificial wastewater // Using an upflow microbial fuel cell // Environ. Sci. Technol. 2005. Vol. 39. P. 5262-5267.
49. Huang L. and Logan B.E. Electricity generation and treatment of paper recycling wastewater using a microbial fuel cell // Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008. Vol. 80. P. 349-355.
50. Ahn Y., Logan B.E. Domestic wastewater treatment using microbial fuel cells and electrical energy production // Bioresour. Technol. 2009. Vol. 101. P. 469-475.
51. Tender L.M., Gray S.A., Groveman E., Lowy D.A., Kauffman P., Melhado J. et al. The first demonstration of a microbial fuel cell as a viable power supply: Powering a meteorological buoy // J. Power Sources. 2008. Vol. 179. P. 571-575.
52. Liu H., Grots S. and Logan B. Electrochemically Assisted microbial production of hydrogen from acetate // Environ. Sci. Technol. 2005. Vol. 39. P. 4317-4320.
53. Hydrogen from waste in US military FCVs // Fuel Cells Bulletin. 2012. Vol. 2012. P. 1.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01/2 (118) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
