ПРОИЗВОДСТВО БИОЛОГИЧЕСКОГО ВОДОРОДА
Химия. Образование водорода происходит в живых клетках в процессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органических молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.
В идеале биофотолиз представлен следующим уравнением: 2Н2О + hv 2Н2 + 02 dG = + 113,4 ккал.
Одновременное выделение кислорода и водорода усложняет дело, так как получаемая смесь является взрывоопасной, а также. вследствие необходимости разделения двух газов.
В микроорганизмах образование водорода происходит при участии гидрогеназы. Высшие растения не имеют этого фермента в своем фотосинтетическом аппарате и не образуют водорода; однако внутриклеточный экстракт из высших растений при добавлении активного препарата гидрогеназы выделяет водород. Обычно фотолитическое образование водорода в природе не происходит, но оно может быть вызвано, например, азотным голоданием сине-зеленых водорослей и манипулированием с бесклеточными системами. По литературным источникам, получение водорода предполагает использование клеток или экстрактов высших растений, сине-зеленых водорослей, зеленых и других водорослей, а также фотосинтетических бактерий.
Технология. Даже на лабораторном уровне не удалось продемонстрировать практического метода получения чистого водорода на основе биофотолиза. Сине-зеленые водоросли выделяют смесь водорода и кислорода с эффективностью около 1 %, а внутриклеточные экстракты высших растений — с еще более низкой эффективностью [35]. Все системы характеризуются недостатком стабильности, так как в целых клетках необходимое условие азотного голодания ослабляет организмы и происходит потеря фотосинтетического пигмента. Период жизни внутриклеточных систем недолог вследствие воздействия ферментов на структурные липиды и белки, а также вследствие повреждения, вызываемого действием света и свободных радикалов. Сама гидрогеназа также нестабильна.
Все целые клеточные системы характеризуются необходимостью сохранения физиологического состояния всего клеточного аппарата; это ведет к чрезмерному потреблению энергии, в результате чего наблюдается падение эффективности фотолитической реакции. Здесь необходим поиск очень тонкого и точного равновесного состояния. В-настоящее время изолирование внутриклеточных систем представляется затруднительным, и в долгосрочном плане они менее стабильны, чем целые клеточные системы; современные исследования посвящены поискам методов стабилизации этих систем. Как системы целых клеток, так и однофазные внутриклеточные системы, испытанные до настоящего времени, образуют смесь водорода и кислорода. Разделение реакций выделения водорода и кислорода теоретически возможно путем использования промежуточного носителя окислительно-восстановительного потенциала, регенерирующего водород с использованием гидрогеназы, однако такой носитель до сих пор не найден.
В заключение следует сказать, что биологические методы производства водорода на свету применяются только пока в лабораториях. Практическая технология может появиться только через несколько десятилетий после проведения фундаментальных исследований в этой области.
