Biohydrogen
બાયોહાઇડ્રોજન એ H2 છે જે જૈવિક રીતે ઉત્પન્ન થાય છે. આ તકનીકમાં રસ વધારે છે કારણ કે H2 એક સ્વચ્છ બળતણ છે અને જૈવિક કચરો સહિત ચોક્કસ પ્રકારના બાયોમાસમાંથી સહેલાઈથી ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. વધુમાં કેટલાક પ્રકાશસંશ્લેષક સુક્ષ્મસજીવો ઊર્જા સ્ત્રોત તરીકે પ્રકાશનો ઉપયોગ કરીને પાણીના વિભાજનથી સીધા જ H2 ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ છે. જૈવિક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનની આશાસ્પદ શક્યતાઓ ઉપરાંત, ઘણા પડકારો આ તકનીકની લાક્ષણિકતા છે. પ્રથમ પડકારોમાં H2 માટે આંતરિક પડકારોનો સમાવેશ થાય છે, જેમ કે વિસ્ફોટક બિન-કન્ડેન્સિબલ ગેસનો સંગ્રહ અને પરિવહન. વધુમાં, હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરતા સજીવોને O2 દ્વારા ઝેર આપવામાં આવે છે અને H2ની ઉપજ ઘણીવાર ઓછી હોય છે. બાયોકેમિકલ સિદ્ધાંતો હાઇડ્રોજનની રચનાને ચલાવતી મુખ્ય પ્રતિક્રિયાઓમાં ઇલેક્ટ્રોન મેળવવા માટે સબસ્ટ્રેટનું ઓક્સિડેશન સામેલ છે. પછી, આ ઇલેક્ટ્રોન મોલેક્યુલર હાઇડ્રોજન બનાવવા માટે મુક્ત પ્રોટોનમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. આ પ્રોટોન ઘટાડાની પ્રતિક્રિયા સામાન્ય રીતે હાઇડ્રોજન તરીકે ઓળખાતા એન્ઝાઇમ પરિવાર દ્વારા કરવામાં આવે છે. હેટરોટ્રોફિક સજીવોમાં, ઇલેક્ટ્રોન sugars.Hydrogen ગેસના આથો દરમિયાન ઉત્પન્ન થાય છે, જે NADHમાંથી NAD + ને પુનર્જીવિત કરવાની રીત તરીકે ઘણા પ્રકારના આથોમાં ઉત્પન્ન થાય છે. ઇલેક્ટ્રોનને ફેરેડોક્સિનમાં સ્થાનાંતરિત કરવામાં આવે છે, અથવા હાઇડ્રોજન દ્વારા NADHમાંથી સીધા જ સ્વીકારી શકાય છે, જે H2 ઉત્પન્ન કરે છે. આને કારણે મોટાભાગની પ્રતિક્રિયાઓ ગ્લુકોઝથી શરૂ થાય છે, જે એસિટિક એસિડમાં રૂપાંતરિત થાય છે. C6H12O6 + 2 H2O-> 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2A સંબંધિત પ્રતિક્રિયા કાર્બન ડાયોક્સાઇડને બદલે ફોર્મેટ આપે છેઃ C6H12O6 + 2 H2O-> 2 CH3COOH + 2 HCOOH + 2 H2 આ પ્રતિક્રિયાઓ અનુક્રમે 216 અને 209 kcal/mol દ્વારા ઉત્સર્જક છે. એવો અંદાજ લગાવવામાં આવ્યો છે કે 99 ટકા સજીવો ડાયહાઇડ્રોજન (H2) નો ઉપયોગ કરે છે અથવા તેનું ઉત્પાદન કરે છે. આમાંની મોટાભાગની પ્રજાતિઓ સૂક્ષ્મજીવાણુઓ છે અને મેટાબોલાઇટ તરીકે H2 નો ઉપયોગ અથવા ઉત્પાદન કરવાની તેમની ક્ષમતા હાઇડ્રોજન તરીકે ઓળખાતા H2 મેટાલોએન્ઝાઇમ્સની અભિવ્યક્તિમાંથી ઉદ્ભવે છે. આ વ્યાપક વૈવિધ્યસભર કુટુંબમાં ઉત્સેચકોને સામાન્ય રીતે સક્રિય સ્થળ ધાતુની સામગ્રીના આધારે ત્રણ અલગ-અલગ પ્રકારોમાં પેટા-વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છેઃ [ફેફે]-હાઇડ્રોજન (આયર્ન-આયર્ન), [નિફે]-હાઇડ્રોજન (નિકલ-આયર્ન) હાઇડ્રોજન અને [ફે]-હાઇડ્રોજન (માત્ર આયર્ન). ઘણા સજીવો આ ઉત્સેચકો વ્યક્ત કરે છે. નોંધપાત્ર ઉદાહરણો ક્લોસ્ટ્રિડિયમ, ડેસલ્ફોવિબ્રિયો, રાલ્સ્ટોનિયા અથવા રોગકારક હેલિકોબેક્ટર જાતિના સભ્યો છે, જેમાંના મોટાભાગના કડક-એનારોબ્સ અથવા ફેકલ્ટેટિવ સુક્ષ્મસજીવો છે. લીલા શેવાળ જેવા અન્ય સુક્ષ્મસજીવો પણ અત્યંત સક્રિય હાઇડ્રોજેનેઝ વ્યક્ત કરે છે, કારણ કે તે Chlamydomonas.Due જાતિના સભ્યો માટે હાઇડ્રોજેનેઝ ઉત્સેચકોની આત્યંતિક વિવિધતા માટેનું કારણ છે, ચાલુ પ્રયાસો સુધારેલા લક્ષણો સાથે નવીન ઉત્સેચકો માટે સ્ક્રીનીંગ પર કેન્દ્રિત છે, તેમજ ઇજનેરી તેમને વધુ ઇચ્છનીય લાક્ષણિકતાઓ પ્રદાન કરવા માટે પહેલેથી જ લાક્ષણિકતા ધરાવતા હાઇડ્રોજેનેઝ. શેવાળ દ્વારા ઉત્પાદન શેવાળ સાથે જૈવિક હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન એ ફોટોબાયોલોજીકલ પાણીના વિભાજનની એક પદ્ધતિ છે જે શેવાળ દ્વારા સૌર બળતણ તરીકે હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદનના આધારે બંધ ફોટોબાયોરિએક્ટરમાં કરવામાં આવે છે. શેવાળ ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓમાં હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરે છે. 2000માં એવું જાણવા મળ્યું હતું કે જો સી. રીનહાર્ડ્ટી શેવાળ સલ્ફરથી વંચિત રહેશે તો તેઓ સામાન્ય પ્રકાશસંશ્લેષણની જેમ ઓક્સિજનના ઉત્પાદનમાંથી હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન તરફ વળશે. ગ્રીન શેવાળ એક્સપ્રેસ [ફેફે] હાઇડ્રોજેનેસિસ, તેમાંના કેટલાકને 104 સે.-1 કરતા વધુ ઊંચા ટર્નઓવર દર સાથે સૌથી કાર્યક્ષમ હાઇડ્રોજેનેસિસ માનવામાં આવે છે. આ નોંધપાત્ર ઉત્પ્રેરક કાર્યક્ષમતા તેમ છતાં ઓક્સિજન પ્રત્યેની તેની આત્યંતિક સંવેદનશીલતા દ્વારા છવાયેલી છે, જે O2 દ્વારા ઉલટાવી ન શકાય તેવી રીતે નિષ્ક્રિય છે. જ્યારે કોષો સલ્ફરથી વંચિત હોય છે, ત્યારે ફોટોસિસ્ટમ II ના ફોટો-નુકસાનને કારણે ઓક્સિજન ઉત્ક્રાંતિ અટકી જાય છે, આ સ્થિતિમાં કોષો O2 નો વપરાશ કરવાનું શરૂ કરે છે અને H2 ઉત્પાદનને ઉત્પ્રેરિત કરવા માટે મૂળ [FeFe] હાઇડ્રોજન માટે આદર્શ એનારોબિક વાતાવરણ પ્રદાન કરે છે. સાયનોબેક્ટેરિયા અને લીલા શેવાળમાં પ્રકાશસંશ્લેષણ પાણીને હાઇડ્રોજન આયન અને ઇલેક્ટ્રોનમાં વિભાજિત કરે છે. ઇલેક્ટ્રોન ફેરરેડોક્સિન પર પરિવહન થાય છે. ફે-ફે-હાઇડ્રોજેનેસિસ (ઉત્સેચકો) તેમને હાઇડ્રોજન ગેસમાં જોડે છે. ક્લેમીડોમોનાસ રીન્હાર્ડ્ટી ફોટોસિસ્ટમ II સૂર્યપ્રકાશના સીધા રૂપાંતરણમાં 80 ટકા ઇલેક્ટ્રોન ઉત્પન્ન કરે છે જે હાઇડ્રોજન ગેસમાં સમાપ્ત થાય છે. 2020 માં વૈજ્ઞાનિકોએ હવામાં દિવસના પ્રકાશમાં પ્રકાશસંશ્લેષણ દ્વારા ઓક્સિજન અથવા CO2 ની સાથે હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવામાં સક્ષમ બહુકોશિક ગોળાકાર માઇક્રોબાયલ રિએક્ટર માટે શેવાળ-કોષ આધારિત માઇક્રો-ઇમલ્શનના વિકાસની જાણ કરી હતી. માઇક્રોઇરિએક્ટરને સહક્રિયાત્મક બેક્ટેરિયા સાથે બંધ કરવાથી O2 સાંદ્રતામાં ઘટાડો કરીને હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનના સ્તરમાં વધારો થતો હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. પ્રકાશ લણણી એન્ટેના ઘટાડા દ્વારા ઉત્પાદનમાં સુધારો હરિત શેવાળમાં ક્લોરોફિલ (સીએચએલ) એન્ટેનાનું કદ ઘટાડવામાં આવે છે, અથવા કાપવામાં આવે છે, જેથી ફોટોબાયોલોજીકલ સૌર રૂપાંતરણ કાર્યક્ષમતા અને એચ 2 ઉત્પાદનને મહત્તમ કરી શકાય. એવું દર્શાવવામાં આવ્યું છે કે લાઇટ-હાર્વેસ્ટિંગ કોમ્પ્લેક્સ ફોટોસિસ્ટમ II લાઇટ-હાર્વેસ્ટિંગ પ્રોટીન LHCBM9 કાર્યક્ષમ લાઇટ એનર્જી ડિસિપેશનને પ્રોત્સાહન આપે છે. કાપેલા સી. એચ. એલ. એન્ટેનાનું કદ વ્યક્તિગત કોષો દ્વારા સૂર્યપ્રકાશનું શોષણ અને નકામું વિસર્જન ઘટાડે છે, પરિણામે જ્યારે બાયોરિએક્ટરમાં લીલા શેવાળને સામૂહિક સંવર્ધન તરીકે ઉગાડવામાં આવે છે ત્યારે વધુ સારી પ્રકાશ ઉપયોગ કાર્યક્ષમતા અને વધુ પ્રકાશસંશ્લેષણ કાર્યક્ષમતા મળે છે. અર્થશાસ્ત્ર શેવાળ આધારિત બાયોહાઇડ્રોજન માટેના વર્તમાન અહેવાલો સાથે, એકલા યુ. એસ. માં ગેસોલિન દ્વારા પૂરી પાડવામાં આવતી ઊર્જાની સમકક્ષ બાયોહાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરવા માટે આશરે 25,000 ચોરસ કિલોમીટરની શેવાળની ખેતીની જરૂર પડશે. આ વિસ્તાર યુ. એસ. માં સોયા ઉગાડવા માટે સમર્પિત આશરે 10 ટકા વિસ્તારનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. બાયોરિએક્ટર ડિઝાઇન પ્રોટોન ઢાળના સંચય દ્વારા પ્રકાશસંશ્લેષક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનના પ્રતિબંધને રજૂ કરે છે. કાર્બન ડાયોક્સાઇડ દ્વારા પ્રકાશસંશ્લેષક હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનનું સ્પર્ધાત્મક અવરોધ. કાર્યક્ષમ પ્રકાશસંશ્લેષણ પ્રવૃત્તિ માટે ફોટોસિસ્ટમ II (પી. એસ. આઈ. આઈ.) પર બાયકાર્બોનેટ બંધન માટેની જરૂરિયાત. શેવાળ હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદનમાં ઓક્સિજન દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનનો સ્પર્ધાત્મક નિકાલ. અર્થશાસ્ત્ર ઊર્જાના અન્ય સ્રોતોની સરખામણીમાં સ્પર્ધાત્મક કિંમત સુધી પહોંચવું જોઈએ અને અર્થશાસ્ત્ર અનેક પરિમાણો પર નિર્ભર છે. એક મુખ્ય તકનીકી અવરોધ એ છે કે સૌર ઊર્જાને પરમાણુ હાઇડ્રોજનમાં સંગ્રહિત રાસાયણિક ઊર્જામાં રૂપાંતરિત કરવાની કાર્યક્ષમતા. બાયોએન્જિનિયરિંગ દ્વારા આ સમસ્યાઓનું સમાધાન કરવાના પ્રયાસો ચાલી રહ્યા છે. સાયનોબેક્ટેરિયા દ્વારા ઉત્પાદન નાઇટ્રોજન-ફિક્સિંગ સાયનોબેક્ટેરિયામાં જૈવિક હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન પણ જોવા મળે છે. આ સુક્ષ્મસજીવો તંતુઓ બનાવીને વિકાસ કરી શકે છે. નાઇટ્રોજન-મર્યાદિત પરિસ્થિતિઓમાં કેટલાક કોષો વિશિષ્ટતા મેળવી શકે છે અને હેટેરોસિસ્ટ્સની રચના કરી શકે છે, જે એનારોબિક ઇન્ટ્રાસેલ્યુલર જગ્યાને સુનિશ્ચિત કરે છે જે અંદર પણ વ્યક્ત થયેલા નાઇટ્રોજનઝ એન્ઝાઇમ દ્વારા N2 ફિક્સેશનને સરળ બનાવે છે. નાઇટ્રોજન-ફિક્સેશન શરતો હેઠળ, નાઇટ્રોજનઝ એન્ઝાઇમ ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારે છે અને ટ્રિપલ ડાઇનાઇટ્રોજન બોન્ડને તોડવા અને તેને એમોનિયામાં ઘટાડવા માટે ATP નો વપરાશ કરે છે. નાઇટ્રોજનઝ ઉત્સેચકના ઉત્પ્રેરક ચક્ર દરમિયાન, પરમાણુ હાઇડ્રોજન પણ ઉત્પન્ન થાય છે. N2 + 8 H + + 8NAD (P) H + 16 ATP-> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD (P) + તેમ છતાં, H2 નું ઉત્પાદન કોષો માટે ઊર્જાની મહત્વપૂર્ણ ખોટ હોવાથી, મોટાભાગના નાઇટ્રોજન ફિક્સિંગ સાયનોબેક્ટેરિયામાં ઓછામાં ઓછું એક અપટેક હાઇડ્રોજન પણ હોય છે. અપટેક હાઇડ્રોજન ઓક્સિજન ઓક્સિડેશન તરફ ઉત્પ્રેરક પૂર્વગ્રહ દર્શાવે છે, આમ નાઇટ્રોજન ફિક્સેશન પ્રક્રિયા દરમિયાન રોકાણ કરેલી ઊર્જાના ભાગને પુનઃપ્રાપ્ત કરવાના માર્ગ તરીકે ઉત્પાદિત H2 ને આત્મસાત કરી શકે છે. 1933માં, માર્જોરી સ્ટીફન્સન અને તેમના વિદ્યાર્થી સ્ટિકલેન્ડે અહેવાલ આપ્યો હતો કે કોષના સસ્પેન્શનને કારણે H2 સાથે મિથાઈલીન બ્લુમાં ઘટાડો થયો હતો. છ વર્ષ પછી, હંસ ગેફ્રોને અવલોકન કર્યું કે લીલી પ્રકાશસંશ્લેષક આલ્ગા ક્લેમીડોમોનાસ રીનહાર્ડ્ટી, કેટલીકવાર હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરે છે. 1990 ના દાયકાના અંતમાં એનાસ્ટેસિયોસ મેલિસે શોધ્યું કે સલ્ફરનો અભાવ આલ્ગાને ઓક્સિજનના ઉત્પાદન (સામાન્ય પ્રકાશસંશ્લેષણ) થી હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન તરફ વળવા માટે પ્રેરિત કરે છે. તેમણે શોધ્યું કે આ પ્રતિક્રિયા માટે જવાબદાર ઉત્સેચક હાઇડ્રોજન છે, પરંતુ હાઇડ્રોજન ઓક્સિજનની હાજરીમાં આ કાર્ય ગુમાવી દે છે. મેલિસે એ પણ શોધ્યું કે શેવાળ માટે ઉપલબ્ધ સલ્ફરની માત્રામાં ઘટાડો થવાથી તેમના આંતરિક ઓક્સિજનના પ્રવાહમાં વિક્ષેપ પડે છે, જેનાથી હાઇડ્રોજનને એક એવું વાતાવરણ મળે છે જેમાં તે પ્રતિક્રિયા આપી શકે છે, જેના કારણે શેવાળ હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરે છે. ક્લૈમાઇડોમોનાસ મોવુસી પણ હાઇડ્રોજનના ઉત્પાદન માટે આશાસ્પદ તાણ છે. ઔદ્યોગિક હાઇડ્રોજન બાયોહાઇડ્રોજન માટે સ્પર્ધા, ઓછામાં ઓછા વ્યાપારી ઉપયોગો માટે, ઘણી પરિપક્વ ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયાઓ છે. કુદરતી ગેસનું વરાળ સુધારણા-જેને કેટલીકવાર વરાળ મિથેન સુધારણા (એસ. એમ. આર.) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે-તે વિશ્વના લગભગ 95 ટકા ઉત્પાદનમાં જથ્થાબંધ હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન કરવાની સૌથી સામાન્ય પદ્ધતિ છે. CH4 + H2O <-> CO + 3 H2 પણ જુઓ આલ્ગાકલ્ચર હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન હાઇડ્રોજન ફોટોહાઇડ્રોજન હાઇડ્રોજન તકનીકોની સમયરેખા સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ DoE-હાઇડ્રોજનના જૈવિક ઉત્પાદન માટે એક પ્રોસ્પેક્ટસ FAO માઇક્રોઆલ્ગલ સંસ્કૃતિઓમાં પ્રકાશ ઉપયોગ કાર્યક્ષમતા અને હાઇડ્રોજન ઉત્પાદનને મહત્તમ બનાવવું DIY શેવાળ/હાઇડ્રોજન બાયોરિએક્ટર 2004 EERE-CYLCLIC ફોટોબાયોલોજિકલ ALGAL H2-ઉત્પાદન એનારોબિક પાચન બાયોડિગ્રેડેબલ કચરો વ્યવસ્થાપન બાયોડિગ્રેડેશન બાયોફ્યુઅલ બાયોટેકનોલોજી ઉત્પાદનો ઇંધણ ઇંધણ ઇંધણ હાઇડ્રોજન હાઇડ્રોજન જીવવિજ્ઞાન હાઇડ્રોજન અર્થતંત્ર હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન કચરો વ્યવસ્થાપન