Biohydrogen
बायोहाइड्रोजन एच2 है जो जैविक रूप से उत्पादित होता है। इस तकनीक में रुचि अधिक है क्योंकि एच2 एक स्वच्छ ईंधन है और जैविक अपशिष्ट सहित कुछ प्रकार के बायोमास से आसानी से उत्पादित किया जा सकता है। इसके अलावा कुछ प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीव ऊर्जा स्रोत के रूप में प्रकाश का उपयोग करके सीधे पानी के विभाजन से एच2 का उत्पादन करने में सक्षम हैं। जैविक हाइड्रोजन उत्पादन की आशाजनक संभावनाओं के अलावा, कई चुनौतियों की विशेषता इस तकनीक को दर्शाती है। पहली चुनौतियों में वे शामिल हैं जो एच2 के लिए आंतरिक हैं, जैसे कि एक विस्फोटक गैर-घनीभूत गैस का भंडारण और परिवहन। इसके अतिरिक्त, हाइड्रोजन उत्पादक जीवों को O2 द्वारा विषाक्त किया जाता है और H2 की पैदावार अक्सर कम होती है। जैव रासायनिक सिद्धांत हाइड्रोजन निर्माण को संचालित करने वाली मुख्य प्रतिक्रियाओं में इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने के लिए सब्सट्रेट का ऑक्सीकरण शामिल है। फिर, इन इलेक्ट्रॉनों को आणविक हाइड्रोजन बनाने के लिए मुक्त प्रोटॉन में स्थानांतरित किया जाता है। यह प्रोटॉन कमी प्रतिक्रिया आम तौर पर एक एंजाइम परिवार द्वारा की जाती है जिसे हाइड्रोजेनेस के रूप में जाना जाता है। विषमलैंगिक जीवों में, एन. ए. डी. एच. से एन. ए. डी. + को पुनः उत्पन्न करने के तरीके के रूप में कई प्रकार के किण्वन में sugars.Hydrogen गैस के किण्वन के दौरान इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन किया जाता है। इलेक्ट्रॉनों को फेररेडॉक्सिन में स्थानांतरित किया जाता है, या एच2 का उत्पादन करते हुए हाइड्रोजन द्वारा एन. ए. डी. एच. से सीधे स्वीकार किया जा सकता है। इस वजह से अधिकांश प्रतिक्रियाएं ग्लूकोज से शुरू होती हैं, जो एसिटिक एसिड में परिवर्तित हो जाता है। सी6एच12ओ6 + 2 एच2ओ-> 2 सीएच3सीओओएच + 2 सीओ2 + 4 एच2ए संबंधित प्रतिक्रिया कार्बन डाइऑक्साइड के बजाय फॉर्मेट देती हैः सी6एच12ओ6 + 2 एच2ओ-> 2 सीएच3सीओओएच + 2 एचसीओओएच + 2 एच2 ये प्रतिक्रियाएं क्रमशः 216 और 209 किलो कैलोरी/मोल से उत्सर्जक होती हैं। यह अनुमान लगाया गया है कि सभी जीवों में से 99 प्रतिशत डाइहाइड्रोजन (एच2) का उपयोग या उत्पादन करते हैं। इनमें से अधिकांश प्रजातियाँ सूक्ष्मजीव हैं और मेटाबोलाइट के रूप में एच2 का उपयोग या उत्पादन करने की उनकी क्षमता हाइड्रोजेनेस के रूप में जाने जाने वाले एच2 मेटालोएंजाइमों की अभिव्यक्ति से उत्पन्न होती है। इस व्यापक रूप से विविध परिवार के भीतर एंजाइमों को आमतौर पर सक्रिय साइट धातु सामग्री के आधार पर तीन अलग-अलग प्रकारों में उप-वर्गीकृत किया जाता हैः [फीफे]-हाइड्रोजेनेस (लौह-लोहा), [नीफे]-हाइड्रोजेनेस (निकल-लोहा) हाइड्रोजेनेस, और [फे]-हाइड्रोजेनेस (केवल लौह)। कई जीव इन एंजाइमों को व्यक्त करते हैं। उल्लेखनीय उदाहरण क्लॉस्ट्रिडियम, डेसल्फोविब्रियो, राल्स्टोनिया या रोगजनक हेलिकोबैक्टर के सदस्य हैं, जिनमें से अधिकांश सख्त-एनारोब्स या संकलक सूक्ष्मजीव हैं। हरे शैवाल जैसे अन्य सूक्ष्मजीव भी अत्यधिक सक्रिय हाइड्रोजेनेस को व्यक्त करते हैं, क्योंकि यह जेनेरा Chlamydomonas.Due के सदस्यों के लिए हाइड्रोजेनेस एंजाइमों की अत्यधिक विविधता का कारण है, निरंतर प्रयास बेहतर विशेषताओं के साथ नए एंजाइमों की जांच पर केंद्रित हैं, साथ ही इंजीनियरिंग पहले से ही विशेषता वाले हाइड्रोजेनेस को अधिक वांछनीय विशेषताओं को प्रदान करने के लिए। शैवाल द्वारा उत्पादन शैवाल के साथ जैविक हाइड्रोजन उत्पादन फोटोबायोलॉजिकल जल विभाजन की एक विधि है जो शैवाल द्वारा सौर ईंधन के रूप में हाइड्रोजन के उत्पादन के आधार पर एक बंद फोटोबायोरिएक्टर में किया जाता है। शैवाल कुछ स्थितियों में हाइड्रोजन का उत्पादन करता है। 2000 में यह पता चला कि यदि सी. रीनहार्ड्टी शैवाल सल्फर से वंचित हो जाते हैं तो वे सामान्य प्रकाश संश्लेषण की तरह ऑक्सीजन के उत्पादन से हाइड्रोजन के उत्पादन में बदल जाएंगे। ग्रीन शैवाल एक्सप्रेस [FeFe] हाइड्रोजेनेस, उनमें से कुछ 104s−1 से बेहतर कारोबार दर के साथ सबसे कुशल हाइड्रोजेनेस माने जाते हैं। यह उल्लेखनीय उत्प्रेरक दक्षता फिर भी ऑक्सीजन के प्रति इसकी अत्यधिक संवेदनशीलता से छायांकित है, जो O2 द्वारा अपरिवर्तनीय रूप से निष्क्रिय है। जब कोशिकाएं सल्फर से वंचित हो जाती हैं, तो प्रकाश प्रणाली II के फोटो-डैमेज के कारण ऑक्सीजन का विकास रुक जाता है, इस स्थिति में कोशिकाएं O2 का सेवन करना शुरू कर देती हैं और H2 उत्पादन को उत्प्रेरित करने के लिए देशी [FeFe] हाइड्रोजेनेस के लिए आदर्श अवायवीय वातावरण प्रदान करती हैं। साइनोबैक्टीरिया और हरे शैवाल में प्रकाश संश्लेषण पानी को हाइड्रोजन आयनों और इलेक्ट्रॉनों में विभाजित करता है। इलेक्ट्रॉनों को फेरेडॉक्सिन के माध्यम से ले जाया जाता है। फे-फे-हाइड्रोजेनेस (एंजाइम) उन्हें हाइड्रोजन गैस में जोड़ते हैं। क्लैमाइडोमोनास रीनहार्ड्टी फोटोसिस्टम II सूर्य के प्रकाश के प्रत्यक्ष रूपांतरण में 80 प्रतिशत इलेक्ट्रॉनों का उत्पादन करता है जो हाइड्रोजन गैस में समाप्त होते हैं। 2020 में वैज्ञानिकों ने बहुकोशिकीय गोलाकार सूक्ष्मजीव रिएक्टरों के लिए शैवाल-कोशिका आधारित सूक्ष्म-पायस के विकास की सूचना दी जो हवा के नीचे दिन के उजाले में प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से ऑक्सीजन या CO2 के साथ हाइड्रोजन का उत्पादन करने में सक्षम हैं। माइक्रोरिएक्टरों को सहक्रियात्मक बैक्टीरिया से घेरने से O2 सांद्रता में कमी के माध्यम से हाइड्रोजन उत्पादन के स्तर में वृद्धि देखी गई। प्रकाश संचयन एंटीना में कमी करके उत्पादन में सुधार हरित शैवाल में क्लोरोफिल (सीएचएल) एंटीना के आकार को कम किया जाता है, या काट दिया जाता है, ताकि फोटोबायोलॉजिकल सौर रूपांतरण दक्षता और एच2 उत्पादन को अधिकतम किया जा सके। यह दिखाया गया है कि प्रकाश-कटाई जटिल फोटोसिस्टम II प्रकाश-कटाई प्रोटीन एल. एच. सी. बी. एम. 9 कुशल प्रकाश ऊर्जा अपव्यय को बढ़ावा देता है। कटा हुआ सी. एच. एल. एंटीना आकार अलग-अलग कोशिकाओं द्वारा सूर्य के प्रकाश के अवशोषण और व्यर्थ अपव्यय को कम करता है, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर प्रकाश उपयोग दक्षता और अधिक प्रकाश संश्लेषक दक्षता होती है जब हरे शैवाल को बायोरिएक्टरों में एक बड़े पैमाने पर संवर्धन के रूप में उगाया जाता है। अर्थशास्त्र शैवाल-आधारित बायोहाइड्रोजन के लिए वर्तमान रिपोर्टों के साथ, अकेले अमेरिका में गैसोलीन द्वारा प्रदान की जाने वाली ऊर्जा के बराबर बायोहाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए लगभग 25,000 वर्ग किलोमीटर शैवाल खेती की आवश्यकता होगी। यह क्षेत्र अमेरिका में सोया उगाने के लिए समर्पित क्षेत्र का लगभग 10 प्रतिशत है। बायोरिएक्टर डिजाइन एक प्रोटॉन प्रवणता के संचय द्वारा प्रकाश संश्लेषक हाइड्रोजन उत्पादन के प्रतिबंध को जारी करता है। कार्बन डाइऑक्साइड द्वारा प्रकाश संश्लेषक हाइड्रोजन उत्पादन का प्रतिस्पर्धी अवरोध। कुशल प्रकाश संश्लेषक गतिविधि के लिए प्रकाश प्रणाली II (पी. एस. आई. आई.) में बाइकार्बोनेट बाइंडिंग की आवश्यकता। शैवाल हाइड्रोजन उत्पादन में ऑक्सीजन द्वारा इलेक्ट्रॉनों की प्रतिस्पर्धी जल निकासी। अर्थशास्त्र को ऊर्जा के अन्य स्रोतों के मुकाबले प्रतिस्पर्धी मूल्य तक पहुंचना चाहिए और अर्थशास्त्र कई मापदंडों पर निर्भर है। एक प्रमुख तकनीकी बाधा सौर ऊर्जा को आणविक हाइड्रोजन में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने की दक्षता है। बायोइंजीनियरिंग के माध्यम से इन समस्याओं को हल करने के प्रयास जारी हैं। साइनोबैक्टीरिया द्वारा उत्पादन नाइट्रोजन-फिक्सिंग साइनोबैक्टीरिया में जैविक हाइड्रोजन उत्पादन भी देखा जाता है। ये सूक्ष्मजीव तंतु बनाते हुए बढ़ सकते हैं। नाइट्रोजन-सीमित परिस्थितियों में कुछ कोशिकाएं विषमकोशिकाओं को विशेषज्ञ बना सकती हैं और बना सकती हैं, जो अंदर भी व्यक्त नाइट्रोजन एंजाइम द्वारा एन2 स्थिरीकरण को आसान बनाने के लिए एक अवायवीय अंतःकोशिकीय स्थान सुनिश्चित करती हैं। नाइट्रोजन-स्थिरीकरण स्थितियों के तहत, नाइट्रोजन एंजाइम इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार करता है और ट्रिपल डाइनाइट्रोजन बंधन को तोड़ने और इसे अमोनिया में कम करने के लिए ए. टी. पी. का उपभोग करता है। नाइट्रोजनेज एंजाइम के उत्प्रेरक चक्र के दौरान, आणविक हाइड्रोजन का भी उत्पादन होता है। N2 + 8 H + + 8NAD (P) H + 16 ATP-> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD (P) + फिर भी, चूँकि H2 का उत्पादन कोशिकाओं के लिए ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण नुकसान है, अधिकांश नाइट्रोजन फिक्सिंग साइनोबैक्टीरिया में कम से कम एक अपटेक हाइड्रोजनेज भी होता है। अपटेक हाइड्रोजेनेस ऑक्सीजन ऑक्सीकरण के प्रति एक उत्प्रेरक पूर्वाग्रह प्रदर्शित करते हैं, इस प्रकार नाइट्रोजन स्थिरीकरण प्रक्रिया के दौरान निवेश की गई ऊर्जा के हिस्से को पुनर्प्राप्त करने के तरीके के रूप में उत्पादित H2 को आत्मसात कर सकते हैं। 1933 में, मार्जोरी स्टीफेंसन और उनके छात्र स्टिकलैंड ने बताया कि कोशिका निलंबन ने एच2 के साथ मिथिलीन ब्लू की कमी को उत्प्रेरित किया। छह साल बाद, हंस गैफ्रॉन ने देखा कि हरे प्रकाश संश्लेषक शैवाल क्लैमाइडोमोनास रीनहार्ड्टी, कभी-कभी हाइड्रोजन का उत्पादन करते हैं। 1990 के दशक के अंत में अनास्तासियोस मेलिस ने पाया कि सल्फर की कमी शैवाल को ऑक्सीजन (सामान्य प्रकाश संश्लेषण) के उत्पादन से हाइड्रोजन के उत्पादन में बदलने के लिए प्रेरित करती है। उन्होंने पाया कि इस प्रतिक्रिया के लिए जिम्मेदार एंजाइम हाइड्रोजनेज है, लेकिन ऑक्सीजन की उपस्थिति में हाइड्रोजनेज इस कार्य को खो देता है। मेलिस ने यह भी पता लगाया कि शैवाल के लिए उपलब्ध सल्फर की मात्रा को कम करने से उनके आंतरिक ऑक्सीजन प्रवाह में बाधा आई, जिससे हाइड्रोजेनेस एक ऐसा वातावरण बन गया जिसमें यह प्रतिक्रिया कर सकता है, जिससे शैवाल हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकता है। क्लैमाइडोमोनास मोवुसी भी हाइड्रोजन के उत्पादन के लिए एक आशाजनक प्रकार है। औद्योगिक हाइड्रोजन बायोहाइड्रोजन के लिए प्रतिस्पर्धा, कम से कम वाणिज्यिक अनुप्रयोगों के लिए, कई परिपक्व औद्योगिक प्रक्रियाएं हैं। प्राकृतिक गैस का भाप सुधार-जिसे कभी-कभी भाप मीथेन सुधार (एस. एम. आर.) के रूप में जाना जाता है-विश्व उत्पादन के लगभग 95 प्रतिशत पर थोक हाइड्रोजन के उत्पादन का सबसे आम तरीका है। CH4 + H2O <-> CO + 3H2 भी देखें अल्गाकल्चर हाइड्रोजन उत्पादन हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की फोटोहाइड्रोजन समयरेखा संदर्भ बाहरी लिंक डी. ओ. ई.-हाइड्रोजन के जैविक उत्पादन के लिए एक संभावना एफ. ए. ओ. सूक्ष्म शैवाल संस्कृतियों में प्रकाश उपयोग दक्षता और हाइड्रोजन उत्पादन को अधिकतम करना डी. आई. वाई. शैवाल/हाइड्रोजन बायोरिएक्टर 2004 ई. आर. ई.-साइकिलिक फोटोबाइओलॉजिकल अल्गल एच2-उत्पादन एनारोबिक पाचन जैव अपघटनीय अपशिष्ट प्रबंधन जैव ईंधन जैव प्रौद्योगिकी उत्पाद ईंधन गैस ईंधन हाइड्रोजन जीव विज्ञान हाइड्रोजन अर्थव्यवस्था हाइड्रोजन उत्पादन अपशिष्ट प्रबंधन