Biohydrogène - Biohydrogen

Production microbienne d'hydrogène.

Le biohydrogène est H 2 qui est produit biologiquement. L'intérêt est grand pour cette technologie car le H 2 est un combustible propre et peut être facilement produit à partir de certains types de biomasse .

De nombreux défis caractérisent cette technologie, dont ceux intrinsèques à l'H 2 , comme le stockage et le transport d'un gaz incondensable. Les organismes producteurs d'hydrogène sont empoisonnés par l'O 2 . Les rendements en H 2 sont souvent faibles.

Principes biochimiques

Les principales réactions concernent la fermentation des sucres. Des réactions importantes commencent avec le glucose , qui est converti en acide acétique :

Une réaction apparentée donne du formiate à la place du dioxyde de carbone :

Ces réactions sont exergoniques de 216 et 209 kcal/mol, respectivement.

La production de H 2 est catalysée par deux hydrogénases . L'une est appelée [FeFe]-hydrogénase; l'autre est appelée [NiFe]-hydrogénase. De nombreux organismes expriment ces enzymes. Des exemples notables sont les membres des genres Clostridium , Desulfovibrio , Ralstonia et le pathogène Helicobacter . E. coli est le cheval de bataille pour le génie génétique des hydrogénases.

Il a été estimé que 99 % de tous les organismes utilisent du dihydrogène (H 2 ). La plupart de ces espèces sont des microbes et leur capacité à utiliser H 2 comme métabolite résulte de l'expression de métalloenzymes H 2 connues sous le nom d'hydrogénases. Les hydrogénases sont sous-classées en trois types différents en fonction de la teneur en métal du site actif : fer-fer hydrogénase, nickel-fer hydrogénase et fer hydrogénase.

Les structures du site actif des trois types d'enzymes hydrogénases.

Production par les algues

La production biologique d'hydrogène avec des algues est une méthode de fractionnement photobiologique de l'eau qui se fait dans un photobioréacteur fermé basé sur la production d'hydrogène comme combustible solaire par les algues . Les algues produisent de l'hydrogène dans certaines conditions. En 2000, il a été découvert que si les algues C. reinhardtii sont privées de soufre, elles passeront de la production d' oxygène , comme dans la photosynthèse normale , à la production d'hydrogène.

Photosynthèse

Formation de sphéroïdes à base de cellules Chlorella
Illustration schématique montrant l'assemblage, l'organisation spatiale et la double fonctionnalité de micro-réacteurs vivants multicellulaires à base de gouttelettes
Bioréacteurs à base de cellules d'algues capables de produire de l'hydrogène

La photosynthèse chez les cyanobactéries et les algues vertes divise l'eau en ions hydrogène et en électrons. Les électrons sont transportés sur des ferredoxines . Les Fe-Fe-hydrogénases (enzymes) les combinent en hydrogène gazeux. Chez Chlamydomonas reinhardtii, le photosystème II produit en conversion directe de la lumière du soleil 80% des électrons qui se retrouvent dans l'hydrogène gazeux. La protéine de récolte de lumière du photosystème II complexe de récolte de lumière LHCBM9 favorise une dissipation efficace de l'énergie lumineuse. Les Fe-Fe-hydrogénases ont besoin d'un environnement anaérobie car elles sont inactivées par l'oxygène. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier est utilisée pour examiner les voies métaboliques. En 2020, des scientifiques ont signalé le développement de micro-gouttelettes à base de cellules d'algues pour des réacteurs microbiens sphéroïdes multicellulaires capables de produire de l' hydrogène aux côtés de l'oxygène ou du CO 2 via la photosynthèse à la lumière du jour sous l'air. Il a été démontré que le confinement des microréacteurs avec des bactéries synergiques augmente les niveaux de production d'hydrogène.

Chlorophylle spécialisée

La chlorophylle (Chl) Antenne taille dans l' algue verte est réduite au minimum, ou tronquée, afin de maximiser l' efficacité de conversion solaire photobiologique et H 2 production. La taille tronquée de l'antenne Chl minimise l'absorption et la dissipation inutile de la lumière solaire par les cellules individuelles, ce qui se traduit par une meilleure efficacité d'utilisation de la lumière et une plus grande productivité photosynthétique par la culture de masse d'algues vertes.

Économie

Il faudrait environ 25 000 kilomètres carrés de culture d'algues pour produire du biohydrogène équivalent à l'énergie fournie par l'essence aux États-Unis seulement. Cette superficie représente environ 10 % de la superficie consacrée à la culture du soja aux États-Unis.

Problèmes de conception de bioréacteur

  • Restriction de la production d'hydrogène photosynthétique par accumulation d'un gradient de protons .
  • Inhibition compétitive de la production d'hydrogène photosynthétique par le dioxyde de carbone.
  • Exigence de liaison du bicarbonate au photosystème II (PSII) pour une activité photosynthétique efficace .
  • Drainage compétitif des électrons par l'oxygène dans la production d'hydrogène d'algues.
  • L'économie doit atteindre des prix compétitifs par rapport aux autres sources d'énergie et l'économie dépend de plusieurs paramètres.
  • Un obstacle technique majeur est l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire en énergie chimique stockée dans l'hydrogène moléculaire.

Des tentatives sont en cours pour résoudre ces problèmes via la bio-ingénierie .

Histoire

En 1933, Marjory Stephenson et son élève Stickland ont rapporté que les suspensions cellulaires catalysaient la réduction du bleu de méthylène avec H 2 . Six ans plus tard, Hans Gaffron a observé que l'algue photosynthétique verte Chlamydomonas reinhardtii , produirait parfois de l'hydrogène. À la fin des années 1990, Anastasios Melis a découvert que la privation de soufre induit l'algue à passer de la production d'oxygène (photosynthèse normale) à la production d'hydrogène. Il a découvert que l' enzyme responsable de cette réaction est l' hydrogénase , mais que l'hydrogénase perd cette fonction en présence d'oxygène. Melis a également découvert que l'épuisement de la quantité de soufre disponible pour les algues interrompait leur flux d'oxygène interne, permettant à l'hydrogénase un environnement dans lequel elle peut réagir, provoquant la production d'hydrogène par les algues. Chlamydomonas moewusii est également une souche prometteuse pour la production d'hydrogène.

Hydrogène industriel

En concurrence pour le biohydrogène, du moins pour des applications commerciales, de nombreux procédés industriels matures. Le reformage à la vapeur du gaz naturel - parfois appelé reformage du méthane à la vapeur (SMR) - est la méthode la plus courante de production d'hydrogène en vrac à environ 95% de la production mondiale.

Voir également

Les références

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Liens externes