Náttúrufræðingurinn - 2017, Qupperneq 52

Náttúrufræðingurinn
52
Jóhann Örlygsson og Sean Michael Scully
Framleiðsla vetnis með
hitakærum bakteríum
INNGANGUR
Áhugi á framleiðslu lífeldsneytis
hefur aukist gríðarlega á síðustu tíu
árum, aðallega í þeim tilgangi að
draga úr orkunotkun í formi bruna
jarðefnaeldsneytis. Nýting þeirrar
takmörkuðu auðlindar hefur einnig
leitt til aukins styrks af koltvísýringi
í andrúmslofti, sem talið er meginor-
sök hækkandi hitastigs á jörðinni.1,2
Við bruna jarðefnaeldsneytis eru
notaðar steinrunnar leifar plantna
sem hafa safnast fyrir í milljónir ára
en við bruna lífeldsneytis er not-
aður lífmassi sem oftast hefur orðið
til sama ár og hann er nýttur til elds-
neytisframleiðslu. Helstu tegundir
lífeldsneytis eru lífetanól, lífdísill og
lífmetan. Þótt koltvísýringur losni
út í andrúmsloftið við bruna þessa
lífeldsneytis er kolefnislosunin sögð
vera hlutlaus, þar sem plönturnar
sem notaðar eru hafa við vöxt
bundið koltvísýring sem losnar út
í andrúmsloftið við bruna.1,2 Vetni
er ein af gerð lífeldsneytis sem ekki
losar kolefni út í andrúmsloftið við
bruna. Vetnisframleiðsla úr lífmassa
hefur verið mikið rannsökuð síðasta
áratuginn en framleiðsla í miklum
mæli er þó skammt á veg komin.
Vetni er því mun minna notað sem
eldsneyti en fyrrnefndar lífelds-
neytistegundir. Vetni er hins vegar
mjög áhugaverður kostur, ekki síst
vegna orkuinnihalds, sem er 122
kJ/g, eða næstum þrefalt meira en
vetniskolefna (etanóls, metans, dís-
ils).3 Nú er nánast allt vetni fram-
leitt úr jarðefnaeldsneyti og nemur
heildarframleiðslan um 1 milljarði
rúmmetra á dag. Þar af eru aðeins
4% framleidd með rafgreiningu á
vatni.2 Framleiðsla á vetni úr jarð-
efnaeldsneyti felur í sér aukinn
styrk gróðurhúsalofttegunda í and-
rúmslofti.
Fjöldi örvera (fornbakteríur, loft-
firrtar og kjörfrjálsar bakteríur, blá-
bakteríur (e. cyanobacteria), græn-
þörungar og frumdýr) er fær um
að framleiða vetni.4,5 Skipta má
vetnisframleiðslu örvera í fjóra-
meginflokka: (1) ljóstillífun (e. water
splitting photosynthesis), (2) ljóstillíf-
un og gerjun (e. photofermentation),
(3) gerjun (e. fermentation) og (4)
rafgreiningu (e. microbial electrolysis
processing). Hver og einn þessara
framleiðsluferla hefur sína kosti og
galla hvað varðar framleiðsluhraða
og hagkvæmni. Í þessari yfirlits-
grein verður eingöngu fjallað um
þriðja meginflokkinn, gerjun, en sú
framleiðsluleið er talin vera einna
hagkvæmust, sérstaklega í ljósi þess
Umfjöllunarefni þessarar yfirlitsgreinar er vetnisframleiðsla með gerjandi,
hitakærum örverum. Mikil umræða hefur verið í heiminum um fram-
leiðslu á lífeldsneyti til mótvægis við jarðefnaeldsneyti. Meginástæðuna
má rekja til hækkandi hitastigs á jörðinni sem talið er stafa af auknum
styrk koltvísýrings í lofthjúpi jarðar vegna bruna jarðefnaeldsneytis. Vetni
er dæmi um lífeldsneyti sem framleiða má með gerjun einfaldra sykra,
t.d. glúkósa úr sterkju og súkrósa úr sykurreyr. Í þeim tilfellum er hrá-
efnið hins vegar einnig notað í fóður- og matvælaframleiðslu, sem veldur
beinni samkeppni milli orkuvinnslu og landbúnaðar. Í stað þess að nota
þennan einfalda lífmassa til orkuframleiðslu hafa menn nú beint athygli
að öðru, flóknara hráefni, þ.e. lignósellulósa. Í greininni er gefið yfirlit yfir
þá gerjunarferla sem hitakærar bakteríur nota til framleiðslu á vetni og er
sérstök áhersla lögð á bakteríur sem hafa verið einangraðar úr íslenskum
hverum. Farið er yfir helstu nýtnitölur fyrir vetnisframleiðslu, bæði úr ein-
földum sykrum og hýdrólýsötum flóknari lífmassa. Að endingu eru helstu
ættkvíslum hitakærra baktería (Thermoanaerobacterium, Caldicellulosiruptor,
Thermotoga), sem þekktar eru sem öflugir vetnisframleiðendur, gerð skil og
tíundaðir helstu kostir þeirra og gallar til slíkrar framleiðslu.
Náttúrufræðingurinn 87 (1–2), bls. 52–59, 2017
Ritrýnd grein /Peer reviewed