Өсімдіктерден биосутегін алу

Презентация қосу

Кіріспе
Биосутегі (biohydrogen) - ауылшаруашылық осімдіктерінің бутил
немесе ацетонобутилді ашу жолымен биобутанолдан алынатын
биоотынның газ тәрізді түрі. Бір тонна мелассадан сахароза немесе
крахмалдың бутилді ашу әдісі арқылы 140 м3, 1 т тәтті сорганың
сабағынан — 50 м3, 1 т картоптан — 42м3 сутегін алуға болады.
Ацетонбутилді ашу әдісімен 1т картоптан 25 м3, 1 т тәтті бал жүгері 30
м3 сутегін береді. Ағаш қалдықтарынан термомеханикалық әдіспен
биосутегін алуға болады, бірақ осы әдістің құны қымбат.
Қазіргі кезде энергетика мен автокөліктерге сутегін қолдану мен
сұраныстың болмауы аталған отын түріне дамыған инфрақұрылымның
жоқтығымен шектеледі. Сонымен қоса, сутегін отын ретінде қолдану
қауіпті болып табылады: себебі, сутегі ауамен әрекеттесіп, жарылғыш
қоспа - газ түзеді, сондықтан ерекше материалдарда сақтауды қажет
етеді. Бірақ, экологиялық қауіпсіздік параметрлері бойынша сутегіне
жететін зат жоқ. Сутегінің ыдырау реакциясы Н2 + 0,502 = Н20 кезінде
көп мөлшерде қуат болінеді (285,8 кДж/моль). Бірақ, атмосфераның
ластануы болмайды, себебі, реакция нәтижесінде су буы түзіледі.
Өсімдіктерден биосутегін алу
Тірі клеткаларда сутегінің түзілуі фотосинтез
үрдісінде жарық сезімтал фотохимиялық реакция
барысында судың ыдырауы кезінде сутегі донорын
қолдану арқылы жүзеге асады. Сонымен қоса,
басқа да катаболитикалық реакциялар, атап
айтсақ, анаэробты ыдырау нәтижесінде түзіледі.
Біз реакцияның бірінші түрін қарастырамыз,
себебі, екінші типі дайын органикалық заттарды
қолданады. Биофотолиз идеалды түрде келесі
теңдеумен сипатталады:
2H20+hv -> 2Н2+ 0 2
dG=113,4ккaл
Бір уақытта оттегі мен сутегінің бөлінуі жағдайды
күрделендіреді. Себебі, пайда болған қоспа
жарылғыш болып келеді. Микроорганизмдерде
сүтегінің түзілуі гидрогеназа қатысында
жүзеге асады. Жоғары сатыдағы өсімдіктердің
фотосинтез аппаратында ондай фермент жоқ
болғандықтан сутегін түзбейді, бірақ
өсімдіктердің клеткаішілік экстрактісіне
гидрогеназаның активті препаратын қосқанда
сутегін бөлген.
Әдетте табиғатта сутегінің фотолитикалық түзілуі жүрмейді. Ол көк-жасыл
балдырларда азот тапшылығында және клеткасыз заттармен манипуляциялағанда
түзілуі мүмкін. Әдеби көздерге сүйенсек, сүтегіні алу үшін клеткалар немесе
балдырлар, жоғары сатыдағы өсімдіктер, көк-жасыл балдырлар, жасыл балдырлар
экстрактісін, сонымен қоса, фотосинтетикалық бактерияларды қолдануға болады.
Сутегіні өндіру технологиясы
Зертханалық жағдайда биофотолиз негізінде таза сутегін
алу мүмкін болмады. Көк-жасыл балдырлар сутегі мен
оттегінің
қоспасын 1% тиімділікпен бөлсе, жоғары сатыдағы
өсімдіктердің
клеткаішілік экстрактісі одан да төмен дәрежеде бөледі.
Сутегі азот тапшылығы кезінде көп түзілгенімен, ол
организмді әлсіздендіреді, сөйтіп, фотосинтетикалық
пигменттің шығыны жүзеге асады. Клеткаішілік жүйенің
тіршілік кезеңі қысқа, себебі, құрылымдық липидтер мен
белоктарға ферменттердің, бос радикалдардың әсері,
сонымен қоса гидрогеназаның өзі де тұрақсыз. Тұтас клетка
жүйесі барлық клетка аппаратында
физиологиялық жагдайдың сақталуымен сипатталады. Ол
үшін энергия жұмсалатыны белгілі, нәтижесінде
фотолитикалық реакция тиімділігінің төмендеуі байқалады.
Бұл жерде нақты тепе-теңдік жағдайын іздестіру қажет.
Қазіргі уакытта клеткаішілік жүйелерді оқшаулау қиынга соғуда, бүтін клетка
жүиесіне қарағанда, олар тұраксыз, алдагы зерттеулер осы жүиелерді
тұрақтандыру әдістерін іздеуге бағытталады. Бір фазалы клеткаішілік жүйелер
және тұтас клетка жүйесі, әдетте сутегі мен оттегінің қоспасынан тұрады.
Сутегі мен оттегіні бөлу реакциялары теория жүзінде мүмкін, яғни
гидрогеназаны қолдана отырып, сутегіні регенерациялаушы тотығу-
тотықсыздану потенциалы бар аралық тасымалдағышты қолдану жолымен
жүзеге асыруға болады, бірақ, ондай тасымалдағыш әлі де табылмаған.
МАКРО ЖӘНЕ МИКРОБАЛДЫРЛАРДАН БИОСУТЕГІН ӨНДІРУ

Балдырлар биомассасының құрылымы
олардың түрлеріне байланысты тез
Балдырлардың көптеген түрлері өзгеретіндіктен, зерттеулер балдырлар
қолайлы жағдайларда сутегі шығара мен цианобактериялардың
алады. Тұщы немесе тұзды суда өмір штаммдарына сәйкес жинақталады
сүретін цианобактериалды және және тізімделеді. Шамасы,
микробалдырлар фотосинтез арқылы микробалдырлардың компоненттері
көмірқышқыл газын, су мен күн макробалдырлардың биомассасына
сәулесін биомассаға айналдыра алады. қарағанда пайдалы субстрат болып
Микробалдырлардың өсу қарқыны табылады. Микробалдырлардың
мен май мөлшері макробалдырларға биомассасы макробалдырларға
қарағанда тезірек және қарағанда қарапайым құрылымға ие,
жоғары. Сонымен қатар, олар макро сондықтан қарапайым алдын-ала
балдырларға қарағанда күрделі сауықтыруды қажет етеді. Сонымен
құрылымға ие. қатар, микробалдырларды әртүрлі
жағдайларда өсіруге болады және
оларды алу оңай
Микроорганизмдерден сутегі өндірісін жақсарту бойынша зерттеулердің көпшілігі
штаммдардың генетикалық жақсартылуына негізделген. Соңғы биоэнергетикадағы
жетістіктер фототрофты организмдермен жүргізіліп жатқан зерттеулердің нәтиежесінде
дамып келеді. Микроорганизмдердің кейбір түрлері қолайлы жағдайларда биосутек
өндіре алады. Микробалдырлар, цианобактериялар (гетероцисто түзетін
цианобактериялар, жіп тәрізді гетероцист емес цианобактериялар және бір клеткалы
цианобактериялар) және күлгін бактериялар биомассадан биосутегі шығара алады.
Микробалдырлар мен цианобактериялардың түрлері гидрогеназа және нитрогеназа
ферменттерінің көмегімен биосутегі шығарады. Цианобактериялар-эукариотты жасыл
балдырлар сияқты оттегі фотосинтетикалық белсенділігі бар прокариоттар. Оларда тек
Chl a бар, Chl B жоқ, ал негізгі антенналар-фикобилиндер деп аталатын пигментті ақуыз
кешендері болып табылады.Күлгін бактериялар грам-теріс қызғылт және күлгін-қоңыр
бактериялар тобын құрайды, оған суды электронды донор ретінде қолдана алмайтын
ФЖII түріне кіреді, ал цианобактериялар, балдырлар және жер өсімдіктері сияқты
организмдер ФЖII қамтиды
Микроорганизм Штамм түрі Жұмыс режимі
Calothrix sp. жабайы типтегі Анаэробты ашыту
Anabaena sp. Д. хм Lmutant Фото ашыту
Chlamydomonas Күкіртсіз Анаэробты ашыту
reinhardtii
Scenedesmus obliquus жабайы типтегі Фото ашыту
Культивирлеу шарттары
Сутегі алу процесі рН, қоректік заттар, температура және субстрат концентрациясы
сияқты бірнеше факторлардың қолайлы жағдайында жүреді. BioH2 өндірісінде
қолданылатын жоғары технологиялық фотобиореакторлар осы факторларды қамтамасыз
етеді.
Культураның жай-күйі зерттеушілер ғылыми салаларда қолданатын балдырлар мен
цианобактериялардың түрлерін қолдана отырып, өнімді биосутегі алудың негізгі
факторы болып табылады. Соңғы уақытта микробиологиялық нысандар биосутегінің
өнімділігін арттыруға байланысты әртүрлі культуралды жағдайларда және
вариацияларда өсірілгені туралы бірнеше қызықты мақалалар жарияланды. Культураның
жай-күйі биосутегі өндірісінің ең әсер етуші факторы болып табылады. Ферментация
процесінде азот, фосфат және басқа бейорганикалық микроэлементтер сутегі өндірісі
үшін қажетті қоспалар болып табылады. Лин және т. б. Ғалымдар микроэлементтердің
көміртегіге әсерін зерттеді, ал Yokoi және т.б органикалық азот бейорганикалықпен
салыстырғанда сутектің бөлінуіне қолайлы болып табылатынын анықтаған.
Сутегі өндіруге қабілетті
балдырлардыңішінен ең көп зерттелгені
Chlamydomonas reinhardtii.

Мүмкіндіктері: биомассаны 6 сағат ішінде екі есеге
арттыру; өсірудің күрделі технологияларының жоқтығы.

Сутегі эволюциясы процесінде цианобактериялық
екі ферменттер қатысады: нитрогеназа және
гидрогеназа.

Нитрогеназа реакцияны катализдейді

Chlamydomonas reinhardtii

Бұл реакцияның негізгі қызметі - молекулалық
азоттыңауадан ассимиляциясы; сутек
қосымша өнім ретінде бөлінеді.
Цыганков А.А. хламидомоналар қоршаған ортаға оттегі жетіспейтін кезде сутегі
бөле бастайтындығын атап көрсетеді.

Табиғаттағы процестің тиімділігі 0,1% құрайды. Генетикалық инженерия өнімділікті 2-
2,5% тиімді өсіруге мүмкіндік берді.

Эксперименттерде Ch. Reinhadtii ортадағы күкірт жетіспейтіндіктен, сутегі меноттегі
бөлінген кезде бөлуге қол жеткізілді

Жарықта балдырлар алдымен O2 бөлді, содан кейін PS II белсенділігі төмендеді, O2
түзілу жылдамдығы біртіндеп төмендеп, тыныс алу жылдамдығынан аз болды.

Күкірт жетіспеушілігімен жылдамдығы өзгермеген тыныс алу процесінде фотосинтез
нәтижесінде пайда болған барлық оттегі жұтылды.

Бұл анаэробиозға, гидрогеназа синтезінің индукциясына және нәтижесінде сутегі
бөлінуіне әкелді.
Жасыл балдырлардан сутек
алу үшін жасушалар инертті
Фотосинтез кезінде
газ (аргон), молекулалық азот
балдырлар бөлетін Н2-ді
атмосферасында немесе
үнемі жойып отыру керек.
ішінара вакуум астында
орналасады

Гидрогеназа мен оның
гендерінің оттегіге Сh.reinhardtii гидрогеназмен
сезімталдығы мәселесі Н2 алынған мутанттың оттегіге
экстракциясы саласындағы сезімталдығы 330% аз.
зерттеулерді бәсеңдетті.

Сh.Reinhardtii сутекті
сағатына 5,5 мл/г дейін
құрғақ жасуша биомассасын
шығарады.
Михеева Л.Е. т.б. (1994) мутантты
Anabaena variabilis Kutz бөліп алу туралы
хабарлады. (Cyanophyta), жасушаларда H2-
сіңіру белсенділігінің төмендеуіне
байланысты сутек өндіреді.
Мутантты алу үшін ATCC 29413 табиғи
типтегі A. variabilis штаммының
бактериологиялық таза культурасы
қолданылды.
Нитросогуанидин көмегімен химиялық
мутагенез жасалды.
Сутегі өндіруге қабілетті штамдарды іздеу
азот көзі жоқ тығыз ортада өсу
жылдамдығы төмендеген клондар арасында
жүргізілді. Anabaena variabilis
РК-17 мутантты штамы жоғары
генетикалық тұрақтылыққа және аргон
атмосферасында сутегі эволюциясының
жоғарылау жылдамдығына ие болды.
Сутегін алудың биологиялық әдістерінің химиялық
және электрохимиялық әдістерге қарағанда негізгі
артықшылығы мынада: процестер қоршаған ортада
салыстырмалы түрде төмен температурада және
атмосфералық қысымда микроорганизмдермен
катализденеді. Сонымен қатар, микроорганизмдер
өнеркәсіптік ағынды сулар сияқты органикалық су
ресурстарынан энергияны қалпына келтіріп,
шоғырландыра алады. Жоғарыда айтылғандай,
биомасса және әртүрлі қалдықтардың түрлері бар
жерлерде шағын қондырғыларда
орталықтандырылмаған энергия өндірісін дамыту
үшін биологиялық әдістер өте қолайлы, бұл энергия
шығындары мен тасымалдау жабдықтарының құнын
төмендетуге көмектеседі.
Қазіргі уақытта сутегін алудың әртүрлі биологиялық
әдістері ұсынылған және жасалған, оларды шартты
түрде екі топқа бөлуге болады:
жарықтың болуын талап ететін әдістер;
жарықтандыруға тәуелді емес әдістер.
Сутегінің пайда болу механизмі бойынша келесі
процестерді бөлуге болады:

жасыл микробалдырлар (тікелей) және
цианобактериялар (жанама) арқылы судың
биофотолизі;
органикалық заттардың фотосинтездеуші
бактериялармен фото ыдырауы;
органикалық заттардың анаэробты бактериялармен
қараңғы ашытуы (ферментация);
фотосинтетикалық және анаэробты бактерияларды
пайдаланатын гибридті жүйелер.

Цианобактериялар - оттегі бар ауа атмосферасында сутегін шығара алатын жалғыз
организм. Олардың сутегінің түзілу жылдамдығы жасыл микробалдырларға қарағанда
бірнеше есе жоғары және 10–40 мл/л сағ. Сутегін өндіру үшін цианобактерияларды
пайдалану да қолайлы, өйткені олар субстратқа минималды талаптармен сипатталады.
Бірақ гетероцисталы цианобактериялардағы су сутегінің түзілуіне гетероцистасыз
микробалдырлар мен цианобактериялардағыдай тікелей емес, аралық реакциялар тізбегі
арқылы қатысады.
Жанама биофотолиз – цианобактериялар жүргізетін екі реакцияның қосындысы,
онда гидрогеназа мен нитрогеназаның болуына байланысты сутегі бөлінеді:

6CO2 + 12H2O + hv = C6H12O6 + 6O2;

С6Н12О6 + Н2О + hv = 12H2 + 6CO2.

Бұл процесте оттегі мен сутегі эволюциясының кезеңдері кеңістік пен уақыт
бойынша бөлінеді. Бірінші кезеңде көмірқышқыл газы фотосинтез кезінде
көмірсуларға айналады. Екінші кезең - қараңғы ашыту мен
фотоферментацияның қосындысы. Қараңғы ашыту көмірсуларды қараңғыда
анаэробты жағдайда сірке қышқылына және көмірқышқыл газына айналдырады.
Әрі қарай сірке қышқылы фотоферментация арқылы анаэробты жағдайда сутегі
мен көмірқышқыл газына толығымен ыдырайды. Нитрогеназа ауадан
молекулалық азотты ассимиляциялау реакциясын катализдейді; азот аммиак
күйіне дейін тотықсызданып, сутегі түзіледі:

N2 + 6e– + 6H+ + 16ATP = 2NH4+ + 16ADP + 16Pi + H2

Ұқсас жұмыстар

Дәрілік шөптерді оқыту

Өсімдіктерден экономикалық маңызы зор заттарды алу

Дәрілік өсімдіктердің морфологиялық белгілері

Ертіс орманы резерваты

Әртүрлі фармакологиялық топтарға жататын препараттарды бөліп алу үшін эқстракциялық препараттардың өндірісінде өсімдік және жануарлық шикізатты кешенді түрде пайдалану

Төменгі молекулярды дірілік заттардың ерітінділері. Жоғары молекулярды ерітінділердің қосындылыры және коллоидтар

Қазақстандағы дәрілік өсімдіктер, соның ішіндегі өзіміздің өлкеде кездесетін дәрілік өсімдіктер

Екіншілік метаболиттер

Көксағыз(каучук) синтезі

Күнбағыстың сұр шірігі

Пәндер