Каталитические системы получения водорода биофотолизом воды

• Автор: Никольская, Анна Борисовна
• Шифр специальности: 02.00.15, 03.01.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 169 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Получение водорода биологическим путем .

1.1.1. Способы получения водорода биологическим путем

1.1.2. Получение водорода при темповой ферментации еред различного состава клетками бактерий рода ii

1.1.3. Иммобилизация клеток бактерий рода ii и ее влияние на выходы водорода

1.2. Анаэробная ферментация биомассы клеток кислородпродуцирующих микроорганизмов с образованием водорода
1.3. Биомасса клеток микроводорослей рода как субстрат для получения водорода условия культивирования и возможность иммобилизаци.
1.3.1. Влияние условий культивирования клеток микроводорослей рода на выход и скорость накопления биомассы

1.3.1.1. Составы сред

1.3.1.2. Влияние концентрации углекислого газа на рост клеток

ми кроводорослей
1.3.1.3. Влияние соотношения объемов газовой и жидкой фаз в реакторе на
рост клеток микрозодорослей
1.3.1.4. Влияние температуры на рост клеток микроводорослсй
1.3.1.5. Роль света и интенсивности освещения в процессе культивирования
клеток микроводорослей
1.3.1.6. Влияние концентрации клеток микроводорослей в среде на их рост.
1.3.2. Иммобилизация клеток микроводорослей рода
1.4. Цели и задачи работы, вытекающие из обзора ли тературы
Глава II. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1. Материалы.
2.1.1. Химические реактивы
2.1.2. Микроорганизмы.
2.2. Методы
2.2.1. Культивирование клеток микроорганизмов.
2.2.1.1. Культивирование клеток анаэробных бактерий ii i.
2.2.1.2. Культивирование клеток кислородпродуцируюишх микроорганизмов
2.2.2. Иммобилизация клеток микроорганизмов.
2.2.2.1. Иммобилизация клеток анаэробных бактерий ii i.
2.2.2.2. Иммобилизация клеток зеленых мнкроводорослей vi.
2.2.3. Биохимический анализ клеток кислородпродуцирующих микроорганизмов
2.2.3.1. Определение сухого веса влажности биомассы клеток кислородпродуцирующих микроорганизмов
2.2.3.2. Определение липидов.
2.2.3.3. Определение белков
2.2.3.4. Опредление углеводов
2.2.4. ЛБЭфсрмеитация иммобилизованными клетками анаэробных бактерий ii i в средах различного состава
2.2.5. Измерение оптической плотности суспензии клеток микроорганизмов и среды.
2.2.6. Определение концентрации глюкозы.
2.2.7. Определение концентрации внутриклеточного АТР биолюминисцентным методом.
2.2.8. Анализ водорода в газовой фазе в процессе АБЭфер.ментации клетками бактерий
2.2.9. Анализ спиртов в жидкой фазе в процессе АБЭферментации клетками бактерий
2.2 Определение кинетических параметров процессов с использованием свободных и иммобилизованных клеток микроорганизмов.
Глава III. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Разработка биокатализатора на основе иммобилизованных клеток водородпродуцирующих бактерий рода ii и исследование его свойств.
3.1.1. Выбор штамма водородпродуцирующей культуры рода ii.
3.1.2. Выбор среды для эффективного выращивания клеток С. i
3.1.3. Оптимизация состава иммобилизованного биокатализатора на основе клеток С i, включенных в криогель поливинилового спирта.
3.1.4. Физикохимические параметры процесса АБЭфсрментации глюкозы под действием ИБК, полученного на основе клеток . i.
3.1.4.1. Свойства ИБК, полученного на основе клеток С. i, в миниреакторе.
3.1.4.2. Свойства ИБК, полученного на основе клеток С. i, в 0,5 лреакторе влияние рНстатирования среды и многократного использования исследуемого ИБК
3.1.4.3. Свойства ИБК, полученного на основе клеток С. i, в 5 лреакторс влияние дополнительного перемешивания среды
3.1.4.4. Сравнительный анализ основных параметров процесса АБЭферментации, осуществляемого свободными и иммобилизованными клетками С. i
3.2. Конверсия прсдобработаниой биомассы кислородпродуцирующих микроорганизмов в водород под действием иммобилизованных клеток С. i.
3.2.1. Анализ биохимического состава клеток различных кислородпродуцирующих
микроорганизмов
3.2.2. Выбор способа предобработки биомассы клеток кислородпродуцирующих микроорганизмов.
3.2.3. Получение водорода из прсдобработаниой биомассы кислородпродуцирующих микроорганизмов с помощью иммобилизованных клеток С. i.
3.2.4. Обоснование выбора культуры кислородпродуцирующих микроорганизмов рода в качестве субстрата для получения водорода в ходе АБЭферментацни, катализируемой иммобилизованными клетками . iЛ
3.3. Физикохимические параметры процесса накопления биомассы клеток . vi, используемой в качестве субстрата в процессе АБЭферментации иммобилизованными клетками . i.
3.3.1. Накопление биомассы клеток микроводорослсй . vi в минеральной среде.
3.3.2. Введение дополнительного органическою источника углерода в минеральную среду для накопления биомассы клеток микроводорослсй . vi.
3.3.3. Полунепрерывным и непрерывный процесс накопления биомассы клеток микроводорослсй . vi в минеральной среде с глюкозой
3.3.4. Влияние иммобилизации клеток микроводорослей С. vi на процесс
накопления их биомассы
3.4. Сопряжение процессов с участием клеток микроводорослей С. vi и клеток бактерий С. i
3.4.1. Исследование возможности использования культуральной жидкости, образующейся после АБЭферментации с участием клеток С. i, в качестве дополнительного источника питательных веществ в среде для культивирования клеток микроводорослей С. vi
3.4.2. Первичная оценка устойчивости разработанной системы сопряженных процессов фоторазложения воды и образования водорода на основе иммобилизованных клеток микроорганизмов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ВЫВОДЫ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Опубликованные выходы водорода, получаемые в процессах с участием различных микроорганизмов, суммированы в табл. Таблица 1. Максимальная скорость накопления водорода под действием клеток различных микроорганизмов при их культивировании в различных средах . С1о. Биофотолиз представляет собой воздействие света на биологические системы, в результате которого из субстрата, обычно воды, образуются кислород и водород . Если такой процесс осуществляется посредством клеток зеленых микроводорослси, то он называется прямым биофотолизом и описывается следующей реакцией
Солнечная энергия поглощается пигментами в клетках фотосинтезирующих микроорганизмов в фотосистеме I ФС I или в фотосистеме II ФС II или сразу в обеих системах рис. ФС I к фсррсдоксину Ф . Ферредоксин это железосодержащий белок, который выполняет функцию переносчика электронов к гидрогеназс, фермент, осуществляющему образование водорода. Суть прямого биофотолиза в том, что кислород и водород образуются одновременно, но в разных фотосистемах , . Рис. Пути переноса электронов в клетке зеленой микроводоросли . Прямой биофотолиз могут осуществлять, например, клетки хорошо изученной микроводоросли iii, которые содержат две Фзависимые гидрогеназы. Эти гидрогеназы обладают высокой активностью и окисляются с образованием водорода. Однако синтезируются они исключительно в анаэробных условиях, что приводит к значительному ограничению времени образования водорода и предъявляет определенные требования к организации самого процесса . В среднем, при использовании биомассы клеток iii скорость накопления водорода составляет 1,6 мллч. Авторы статьи провели иммобилизацию этих клеток на стекле при высокой плотноеIи клеток. Максимальный объем водорода, производимый этой системой, был равен 0 мл за дня, а максимальная скорость накопления целевого продукта достигала значений 1,9 мллч. При иммобилизации клеток iii в гель альгината кальция или ккаррагинановый гель в анаэробных темповых условиях она также составляла 1,5 2,0 мллч . Гидрогеназная активность также наблюдается в клетках таких микроводорослсй, как i, i, ii и 1. Клетки способны производить водород со скоростью 0,6 мллч, однако в присутствии дитионата натрия в качестве акцептора кислорода скорость образования водорода возрастает до 1,2 мллч . Нитрогеназа в цианобактериях преимущественно локализована в специализированных клетках, гетероцистах, в которых отсутствует ФС II, то есть они не способны к выделению кислорода. Кислород же образуется в растущих клетках . Водородпродуцирующие цианобактерии могут быть азотфикенрующими и не фиксирующими азот. К первому типу относятся клетки АпаЬаепа 5р. СЫоОиъх 5р. ОэсИШопа 5р. Бунесюсоссш 5р. Ьасег 5р. Все они, согласно литературным данным, являются наиболее продуктивными по водороду в сравнении с представителями других видов цианобактерий . К примеру, авторами статьи было показано, что клетки АпаЬаепа уапаЫНя способны производить до мл водородалч при постоянном освещении и в атмосфере воздуха, обогащенного углекислым газом. Однако, и прямой биофотолиз, и непрямой биофотолиз имеют ряд недостатков, которые ограничивают применение зеленых мпкроводорослей и цианобактерий в процессах получения водорода. В нервом случае это связано с необходимостью использовать освещение высокой интенсивности, а также с низкой фотохимической эффективностью процесса и с ингибирующим воздействием кислорода на гидрогеназу в клетках. Во втором случае наблюдаются весьма низкие эффективность и скорость процесса и также, как и в прямом биофотолнзе, имеется отрицательное воздействие кислорода на процесс. Кроме того, цианобактерии, как правило, являются источниками токсинов, накапливающихся в среде культивирования, и их использование не является экологически безопасным способом получения водорода , . Фоторазложсннс органических веществ осуществляется в строго анаэробных условиях пурпурными несерными бактериями благодаря присутствию в их клетках иитрогеиазы в условиях недостатка любых форм азота с использованием световой энергии и широкого спектра органических кислот , .