Введение к работе
Актуальность работы. Водород широко применяется в различных химических процессах, связанных с гидрированием, но также рассматривается в качестве перспективной альтернативы традиционным ископаемым топливам.
Основное производство водорода сегодня связано с реализацией различных термохимических процессов. Однако огромный научно-практический интерес и актуальность представляет собой биологический способ получения водорода, так как он позволяет избежать загрязнения окружающей среды и использования ископаемого топлива, применить в качестве катализаторов клетки микроорганизмов при условиях, характерных для их жизнедеятельности, создать экологичные каталитические системы производства, функционирующие в отсутствие высоких температур и давления в рабочем реакторе.
К числу методов получения водорода биологическим путем относятся: анаэробная ферментация углеводсодержащих сред с участием клеток бактерий, прямой или непрямой биофотолиз воды, катализируемый клетками микроводорослей или цианобактерий и т.д. Однако все они находятся пока на стадии технологических разработок и характеризуются низкой эффективностью. Альтернативой таким методам может служить биофотолиз воды, осуществляемый в две стадии клетками разных микроорганизмов, включающими накопление биомассы клеток кислород- продуцирующих микроорганизмов (КМ), способных осуществлять фотосинтез, и последующую ее анаэробную конверсию клетками водород-продуцирующих бактерий. Принципиальная схема процесса выглядит следующим образом:
2CO2 + 2H2O 2
темнота
2(CH2O) 2H2 + 2CO2 (осуществляется клетками бактерий).
Такой процесс является весьма перспективным в связи с тем, что он использует единственный и исключительно чистый источник энергии, имеющий неограниченные резервы, - свет, и имеет огромное практическое значение с точки зрения получения альтернативных видов топлив. Применение иммобилизованных клеток в обсуждаемых процессах позволяет повысить выходы конечных продуктов, упростить
Список сокращений: АБЭ-ферментация - ацетон-бутанол-этанольная ферментация; АТФ - аденозинтрифосфат; ИБК - иммобилизованный биокатализатор; ПВС - поливиниловый
спирт; КМ - кислород-продуцирующие микроорганизмы.
операции выращивания и хранения культур микроорганизмов, а также позволяет создать новую перспективную технологию получения водорода.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы была разработка системы сопряжения процессов фоторазложения воды и образования водорода на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов.
В рамках этой работы решались следующие основные задачи:
-
- разработать биокатализатор на основе иммобилизованных клеток бактерий рода Clostridium, продуцирующих водород в процессе ацетон-бутанол-этанольной ферментации (АБЭ-ферментации), оптимизировать его состав и условия функционирования, а также определить основные каталитические характеристики биокатализатора;
-
- определить возможность использования биомассы различных КМ для ее конверсии иммобилизованными клетками бактерий рода Clostridium в водород, и отобрать культуры КМ, позволяющие накапливать биомассу, подлежащую наиболее эффективной конверсии в целевой продукт;
-
- разработать методы эффективного накопления биомассы клеток КМ для их конверсии в водород, а также метод иммобилизации клеток этих микроорганизмов;
-
- определить возможность использования культуральной жидкости, получаемой после стадии применения иммобилизованных клеток рода Clostridium в качестве среды для накопления биомассы клеток КМ;
-
- установить режим эффективного функционирования биокаталитической системы получения водорода биофотолизом воды из биомассы КМ.
Научная новизна. Впервые предложена кинетическая модель роста клеток анаэробных бактерий Clostridium acetobutylicum в режиме их инактивации нейтральными продуктами, которые образуются в процессе АБЭ-ферментации.
Впервые установлено, что использование криогеля поливинилового спирта (ПВС) в качестве носителя для иммобилизации клеток Clostridium acetobutylicum приводит к существенному повышению выходов водорода в процессе АБЭ- ферментации глюкозосодержащих сред.
Впервые показана возможность использования биомассы широкого спектра КМ в качестве потенциального субстрата для получения водорода в процессе АБЭ- ферментации иммобилизованными клетками Clostridium acetobutylicum. Обнаружено влияние биохимического состава и условий культивирования клеток КМ на выходы целевого продукта.
Впервые установлено, что использование криогеля ПВС в качестве носителя для иммобилизации клеток зеленых микроводорослей Chlorella vulgaris позволяет значительно повысить эффективность накопления биомассы свободных клеток КМ в средах различного состава в полунепрерывном и непрерывном режимах культивирования.
Впервые предложен двухстадийный процесс биофотолиза воды по замкнутому циклу с использованием клеток микроводорослей и анаэробных бактерий для получения водорода.
Научно-практическая значимость. Разработан и оптимизирован по составу новый биокатализатор на основе клеток анаэробных бактерий Clostridium acetobutylicum, иммобилизованных в криогель ПВС, который может быть многократно использован для получения водорода в процессе АБЭ-ферментации сред разного состава в реакторах различного типа, при этом скорость накопления целевого продукта может быть улучшена в 17 раз.
Установлено, что в качестве сред для получения водорода в процессе АБЭ- ферментации иммобилизованными клетками Clostridium acetobutylicum можно использовать среды, содержащие термически предобработанную биомассу клеток КМ. Предлагаемые среды являются экологически чистым и доступным сырьем, но, в отличие от целлюлозо- или крахмало- содержащих сред, требуют значительно меньших затрат на их получение, предобработку и использование.
Разработан новый биокатализатор на основе клеток микроводорослей Chlorella vulgaris, включенных в поры криогеля ПВС, который позволяет накапливать биомассу клеток данного вида в средах различного состава в полунепрерывном и непрерывном режимах культивирования со скоростью в 8 раз выше, чем в случае использования известного из литературы аналога.
Впервые предложена новая замкнутая биокаталитическая система получения водорода биофотолизом воды, представляющая собой двухстадийный процесс с участием клеток КМ и водород-продуцирующих бактерий, полный рабочий цикл которого может быть осуществлен многократно.
Основные положения, выносимые на защиту: 1 - Кинетическая модель роста клеток анаэробных бактерий Clostridium acetobutylicum в режиме их инактивации нейтральными продуктами, которые образуются в процессе АБЭ-ферментации.
-
-
- Биокатализатор на основе клеток Clostridium acetobutylicum, иммобилизованных в криогель ПВС, может быть многократно использован для эффективного получения водорода в процессе АБЭ-ферментации сред различного состава в реакторах разного типа;
-
- Использование термически предобработанной биомассы клеток зеленых микроводорослей Chlorella vulgaris, культивирование которых проводилось в минеральной среде с добавлением глюкозы, в качестве субстрата для АБЭ- ферментации иммобилизованными клетками Clostridium acetobutylicum позволяет получить максимальные выходы водорода;
-
- Биокатализатор на основе клеток Chlorella vulgaris, включенных в криогель ПВС, может быть успешно использован для накопления биомассы клеток данного вида с высокой скоростью в средах различного состава в полунепрерывном и непрерывном режимах культивирования;
-
- Сопряжение процессов накопления биомассы Chlorella vulgaris и АБЭ- ферментации клетками Clostridium acetobutylicum позволяет создать новую биокаталитическую систему получения водорода биофотолизом воды.
Вклад автора. Личный вклад диссертанта состоял в постановке задач, проведении экспериментов, обобщении, анализе и трактовке полученного экспериментального материала, формулировании положений и выводов работы. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично или при его непосредственном участии в подготовке и проведении экспериментов.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на следующих конференциях: VIII, IX, X, XI Ежегодная молодежная конференция ИБХФ РАН- ВУЗЫ "Биохимическая Физика" (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011), International conference «Catalysis for renewable sources: fuel, energy, chemicals» (Tsars Village, St. Petersburg suburb, Russia, 2010), 18th and 19th European Biomass Conference and Exhibition (Lion, France, 2010, and Berlin, Germany, 2011).
Публикации. Основные результаты работы по теме диссертации представлены в 18 печатных работах: из них 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в
Перечень ВАК, 4 статьи и 10 тезисов в сборниках трудов международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 169 стр., включая 58 рисунков, 34 таблицы, и состоит из введения, 3 глав (литературный обзор, материалы и методы, результаты и их обсуждение), заключения, выводов и списка литературы (209 источников).
Похожие диссертации на Каталитические системы получения водорода биофотолизом воды
-
