Náttúrufræðingurinn - 2017, Page 53

53
Tímarit Hins íslenska náttúrufræðifélags
að með henni má nýta landbúnaðar-
úrgang og annað hráefni sem fellur
til í miklu magni.6
Á síðari árum hefur áhugi manna
beinst að framleiðslu á vetni úr
svokölluðum flóknum lífmassa
(e. lignocellulosic biomass) í stað
þess að framleiða það úr einföld-
um lífmassa (sykrum og sterkju).
Meginástæðan er sú að notkun ein-
falds lífmassa til vetnisframleiðslu
setur hana í beina samkeppni við
fóður- og matvælaframleiðslu, sem
getur valdið hækkuðu matvæla-
verði í heiminum.7 Flókinn lífmassi
er í öllum plöntum og samanstend-
ur af fjölliðunum beðmi (e. cellulose),
hálfbeðmi (e. hemicellulose) og tréni
(e. lignin).6 Þessi efni eru hins vegar
samofin í lífmassanum og þau þarf
því fyrst að aðskilja. Margvíslegar
aðferðir eru notaðar til þess, svo sem
meðhöndlun með vægri sýru eða
basa auk hás hitastigs. Eftir efna-
fræðilega formeðhöndlun þarf að
vatnsrjúfa (e. hydrolyse) fjölliðurnar í
einsykrur með ensímum og fjarlægja
trénið sem er ógerjanlegt.6 Þessir
efna- og ensímfræðilegu meginþætt-
ir formeðhöndlunar eru mjög dýrir
og mynda helsta flöskuhálsinn við
vetnisframleiðslu í miklum mæli.
Þessi þröskuldur er jafnframt ein
helsta ástæða þess að vetnisfram-
leiðslan hefur ekki náð þeim hæðum
sem margir væntu.
Þegar flókinn lífmassi er notað-
ur sem hráefni til vetnisframleiðslu
skiptir miklu máli að notaðar séu
örverur með mjög breitt hvarfefna-
svið. Hitakærar bakteríur eru þekkt-
ar fyrir að geta brotið niður margar
sykrur, þar á meðal pentósur, hex-
ósur, tvísykrur, þrísykrur og jafn-
vel fjölliður.8–12 Hæfni þeirra til að
framleiða vetni úr flóknum lífmassa
hefur því mikið verið rannsökuð á
síðari árum. Þol þeirra við lágu og
háu sýrustigi, auk þols við mikl-
um styrk brennisteinssambanda,
gerir þær enn áhugaverðari.13
Einn megingalli hitakærra bakt-
ería er hins vegar algeng fram-
leiðsla aukaafurða (e. by-products)
á borð við mjólkursýru og etanól.
Framleiðsluferlar þeim tengdir gefa
ekki af sér vetni.8–13
Meginættkvíslir vetnisfram-
leiðandi, hitakærra baktería eru
Thermoanaerobacterium, Caldi cellu-
losi ruptor og Thermotoga. Í þessari
yfirferð er lýst þeim lífefnafræði-
legu ferlum sem hitakærar bakteríur
nota við vetnisframleiðslu og far-
ið yfir helstu ættkvíslir þeirra sem
og heimtur vetnis, bæði úr sykrum
og úr flóknum lífmassa. Sérstaka
umfjöllun fá hitakærar bakteríur
sem hafa verið einangraðar úr hver-
um á Íslandi.
FRAMLEIÐSLA Á VETNI
MEÐ GERJUN
Bakteríur nota langoftast sykrur
sem hráefni til að framleiða vetni.
Önnur hvarfefni, svo sem amínó-
sýrur og lífrænar sýrur, geta þó
komið í stað þeirra. Sykrurnar eru
1. mynd. Einfaldað skema fyrir niðurbrot glúkósa við loftfirrtar aðstæður. Skammstöfun
ensíma: ALDH = asetaldehýð-dehýdrógenasi; ADH = alkóhól-dehýdrógenasi; AK = asetat-
-kínasi; FNOR = ferredoxín-oxídóredúktasi; H2-ase = hýdrógenasi; LDH = laktat-
-dehýdrógenasi; PFOR = pýruvat-ferredoxín-oxídóredúktasi; PTA = fosfótransasetýlasi.
Brotnar línur sýna flutning elektróna. – Simplified scheme for glucose degradation with
anaerobic conditions. Abbreviations of enzymes: ALDH = acetaldehyde dehydrogenase;
ADH = alcohol dehydrogenase; AK = acetate kinase; FNOR = ferredoxin oxidoreductase;
H2-ase = hydrogenase; LDH = lactate dehydrogenase; PFOR = pyruvate ferredoxin oxidor-
eductase; PTA = phosphotransacetylase. Dashed lines show electron transport.