Náttúrufræðingurinn - 2017, Blaðsíða 57

57
Tímarit Hins íslenska náttúrufræðifélags
rannsakaður með tilliti til fram-
leiðslu á vetni úr flóknum lífmassa
(sellulósa, hampi (bæði laufum og
stofni), grasi, pappír og hveitihálmi).
Mesta vetnisframleiðslan fékkst úr
sellulósa og grasi þegar lífmassinn
var formeðhöndlaður með vægri
sýru og ensímum, eða sem nemur
8,5 og 6,2 mólum af H2/g lífmassa.
Í rannsókn á stofni Thermoanaer-
obacterium stofn AK54 af ættkvísl
Thermoanaerobacterium var svipaðri
aðferðafræði beitt.41 Þessi stofn
reyndist stunda blandaða gerjun,
þ.e. framleiddi bæði etanól og vetni
(ásamt mjólkursýru) og rannsóknin
beindist því bæði að etanól- og vetn-
isframleiðslu. Rétt eins og Clostri-
dium stofn AK14 hafði þessi stofn
mjög breitt hvarfefnasvið og tiltölu-
lega lítill glúkósastyrkur hamlaði
einnig vexti hans. Vetnisframleiðslu-
geta Thermoanaerobacterium stofns
AK54 var að hámarki mun minni
en hjá stofni AK14, eða 1,8 mól af
vetni á hvert mól af glúkósa. Úr
flóknum lífmassa framleiddi hann
12,2 mól af H2/g sellulósa og 4,9
mól af H2/g hampi.41 Að lokum
skulu nefndar tvær rannsóknir á
bakteríum af ættkvísl Thermoana-
erobacter, þ.e. stofnar GHL15 og
AK68.40,48 Báðir stofnarnir höfðu
breitt hvarfefnasvið og tiltölulega
lítill upphafsstyrkur glúkósa hafði
neikvæð áhrif á vöxt. Thermoanaer-
obacter-stofn GHL15 framleiddi 3,1
mól af vetni á hvert mól af glúkósa
við mjög lágan hlutþrýsting vetnis
og 7,6 mól H2/g sýruformeðhöndl-
uðu grasi. Rannsóknin á Thermoana-
erobacter-stofni AK68 snerist ekki
um getu hans til að framleiða vetni
úr flóknum lífmassa heldur um
áhrif margvíslegra umhverfisþátta á
vetnisframleiðslu úr sykrum.48 Í ljós
kom að meginástæða þess að vöxtur
bakteríunnar hindraðist vegna til-
tölulega lítils upphafsstyrks glúkósa
stafaði ekki af hvarfefnastyrknum
sjálfum heldur aukinni vetnis-
myndun sem hélst í hendur við
aukinn styrk hvarfefnis og hindr-
aði frekari framleiðslu. Þetta stað-
festu rannsóknarmenn með því að
rækta stofninn í viðurvist þíósúlfats,
því að tegundir innan ættkvíslar
Thermoanaerobacter geta nýtt sér
efnasambandið til að umbreyta
vetni sem myndast við gerjunina í
annaðhvort vetnissúlfíð eða hreinan
brennistein. Með þessu móti helst
hlutþrýstingur vetnis mjög lítill í
lokaðri rækt. Þegar bakterían var
ræktuð á glúkósa með 20 mM upp-
hafsstyrk, án þíósúlfats, gat hún
eingöngu brotið niður um 10 mM
af sykrunni en þegar þíósúlfati var
bætt við í ræktina var allur glúkós-
inn brotinn niður. Ekki var því
um hvarfefnishindrun að ræða (e.
substrate inhibiton) heldur hindrun
vegna lokaafurðar (e. end product
inhibition), þ.e. vetnis. Önnur athygl-
isverð niðurstaða í rannsókninni var
sú að án þíósúlfats framleiddi bakt-
erían blöndu af etanóli og ediksýru í
hlutfallinu 0,76 (etanól:ediksýra) en
í viðurvist þíósúlfats breyttist hlut-
fallið í 0,06, þ.e. bakterían framleiddi
nær eingöngu ediksýru í viðurvist
þíósúlfats. Þetta sýnir hversu mik-
ilvægt það er að fjarlægja vetni úr
ræktun jafnóðum og það myndast,
til að hámarka framleiðslu þess. Að
öðrum kosti framleiðir bakterían
önnur afoxuð efnasambönd, svo
sem etanól.
LOKAORÐ
Hitakærar bakteríur búa yfir
mörgum kostum sem nýtast til
framleiðslu vetnis úr flóknum
lífmassa. Þær geta brotið niður
mjög margar sykrur sem finnast í
flóknum lífmassa og hægt er á til-
tölulega einfaldan máta að stýra
ræktunaraðstæðum á þann veg að
vetnisframleiðslan hámarkist, svo
sem með því að halda hlutþrýstingi
vetnis í ræktunarkerfum mjög
litlum. Þær bakteríur sem eru taldar
hvað best fallnar til framleiðslu á
vetni eru háhitakærar og tilheyra
ættkvíslunum Caldicellulosiruptor og
Thermotoga. Þessar bakteríur fram-
leiða margar hverjar um 2 mól af
ediksýru og tæplega 4 mól af vetni
úr hverju móli af glúkósa. Vetnið er
hægt að nýta beint sem lífeldsneyti
og ediksýru má umbreyta í annað
lífeldsneyti, til dæmis metan, með
því að nota metanbakteríur.
English Summary
Production of hydrogen with
thermophilic bacteria
This review focuses upon hydrogen pro-
duction by thermophilic, fermentative
bacteria. In recent years, biofuel produc-
tion has gained increased interest,
mainly due to the substantial increase in
the use of fossil fuels and the environ-
mental issues related to elevated concen-
trations of carbon dioxide in the atmos-
phere, which is considered to be the
main cause of global warming.
Hydrogen is one type of biofuel that can
be produced by fermentation of simple
substrates (sugar and starch based bio-
mass) which, however, directly compete
with food and feed production. Hence
the increased interest towards the utili-
zation of more complex biomass, such
as lignocellulose. An overview of fer-
mentation pathways used by thermo-
philic bacteria will be provided with
main emphasis on thermophilic bacteria
isolated from Icelandic hot springs.
Hydrogen yields, both from simple sug-
ars as well as lignocellulosic hydro-
lysates are reported and the main genera
of thermophilic bacteria (Thermoanaero-
bacterium, Caldi cellulosi ruptor, Thermo-
toga) described. Finally, the pros and
cons of using thermophilic bacteria for
biohydrogen production are discussed.