Produzione biologica di idrogeno è un campo interessante nella ricerca di energia alternativa. Approcci attuali rientrano in una delle tre classi: fotosintesi, fermentazione ed elettrolisi microbica. Tutti e tre si affidano in definitiva dalla luce del sole per guidare una reazione energico sfavorevole, riducendo di due ioni di idrogeno (cioè, donando gli elettroni a loro) al modulo H2.
Fotosintesi
Durante le reazioni di luce della fotosintesi delle alghe verdi, energia luminosa è raccolto per guidare la produzione dell'adenosina trifosfato (ATP) e riduzione (cioè, elettrone guadagno) di nicotinammide adenina dinucleotide fosfato (NADP + o, quando ridotto, NADPH). NADPH è ridotto da un enzima chiamato ferredossina-NADP-reduttasi, che accetta elettroni da una molecola chiamata ferredossina. Ordinariamente NADPH vorrei donare i suoi elettroni all'intermedio nel ciclo di Calvin, il processo mediante il quale gli organismi fotosintetici trasformare anidride carbonica in composti organici utili. Condizioni anaerobiche (senza ossigeno), tuttavia, e se l'anidride carbonica è in breve fornitura, alcune alghe possono essere indotti a donare gli elettroni da ferredossina di un enzima chiamato idrogenasi invece. L'idrogenasi catalizza la riduzione di 2 H + a H2, producendo idrogeno.
Fermentazione
Cellule come quelle nel vostro corpo o batteri in un tino analizza le molecole di glucosio in molecole di piruvato, estrazione di energia lungo la strada. In molti organismi, il piruvato può essere utilizzato per alimentare ulteriormente la produzione di ATP attraverso un'altra serie di eventi; in alternativa, può essere modificato chimicamente attraverso un processo chiamato fermentazione. Varie specie di batteri possono utilizzare elettroni da piruvato per ridurre 2 H + a H2 durante la fermentazione. Alcuni di questi batteri sono anaerobi, significato che non possono sopravvivere in presenza di ossigeno. Altri sono anaerobi facoltativi, significato che possono vivere con o senza ossigeno. In genere, gli anaerobi ossidano piruvato e trasferire gli elettroni che guadagnano quindi a ferredossina e a un'idrogenasi, mentre gli anaerobi facoltativi utilizzano un processo diverso. I batteri possono utilizzare altre molecole oltre all'idrogeno come accettori per fermentazione.
Celle di elettrolisi microbica
Celle di elettrolisi microbica o MECs, sono un'insolita nuova tecnologia che utilizza batteri per alimentare una sorta di batteria microbica. I batteri sono apposti all'anodo della cella, dove si ossidano i composti come etanolo, acetato o butirrato, trasferendo gli elettroni al solido conduttivo. Questi elettroni passano attraverso un conduttore esterno al catodo, dove reagiscono con l'acqua e produrre idrogeno gassoso. Un'alimentazione elettrica esterna deve anche essere inclusa per aumentare la tensione degli elettroni nel circuito esterno; Tuttavia, i microbi aiutano a fornire la potenza necessaria e quindi sostanzialmente ridurre la quantità di energia elettrica necessaria per elettrolisi.
Sfide
Nessuno di questi metodi è attualmente praticabile per la produzione di idrogeno su larga scala. L'idrogenasi utilizzati da organismi fotosintetici sono altamente sensibili alla presenza di ossigeno e la produzione fotosintetica dell'idrogeno è ancora troppo inefficiente per essere pratico. Il processo di fermentazione ha un rendimento basso e produce anche composti organici indesiderabili, come butirrato ed etanolo, come prodotti collaterali indesiderati. Inoltre, fermentazione richiede l'input di zuccheri derivati da piante o da altre colture, che potrebbero creare un potenziale conflitto fra alimentazione e approvvigionamento di generi alimentari. L'approccio MEC ha bisogno di una fonte di alimentazione esterna, e se il processo non è abbastanza efficiente, la quantità di elettricità necessaria rendono troppo costoso per essere pratico. Sfide come queste devono essere superate prima produzione biologica di idrogeno in grado di offrire società una nuova fonte di energia rinnovabile.