هیدروژن؛ منبعی نوید بخش برای آینده

هیدروژن، منبع نویدبخشی برای تأمین انرژی در آینده به شمار می آید، زیرا می توان آن را در پیل های سوختی به کار گرفت. از لحاظ نظری، پیل های سوختی بازده تبدیل انرژی بالاتری نسبت به تجهیزات احتراقی کنونی دارند. حتی اگر هیدروژن را به عنوان سوختی احتراقی به کار گیریم، هیچ دی اکسیدکربن خروجی مشاهده نخواهیم کرد. به هر حال، هیدروژن می باید از دیگر منابع انرژی تولید و جدا و به گونه ای ایمن استفاده شود.امروزه، هیدروژن محصول صنعتی - شیمیایی مهمی محسوب می شود و در صنایع عمده متعددی مورد مصرف دارد؛ در نتیجه شبکه تولید، توزیع و مصرف محدودی وجود دارد. نمونه های آزمایشی خودروهای با سوخت هیدروژنی هم اکنون وارد جاده ها شده اند. تمام این خودروها و توزیع کننده های سوخت هیدروژن، گازهای آلاینده به شدت ناچیزی را وارد جو می کنند.فناوری تولید، توزیع و مصرف هیدروژن باید در مقیاس وسیعی به لحاظ وسعت بازده گسترش یابد تا بتوان هیدروژن را به عنوان منبع عمده تأمین انرژی آینده پذیرفت. خواص منحصر به فرد هیدروژن ما را به طراحی فناوری های تبدیل و توزیع سرآمدتر و پربازده تر وادار می کند.
●تولید بایوهیدروژن
هدف: هدف دراز مدت این پروژه، توسعه فناوری با صرفه اقتصادی و با بازده بالا برای تبدیل زیستی انرژی خورشیدی به مولکول هیدروژنی است. بخش اول این پروژه شامل یک سیستم ارگانیسمی/ بایورآکتوری که ارگانیسمی مهندسی ژنتیک شده را به کار می گیرد، است. این ارگانیسم انرژی خورشید را به هیدروژن تبدیل می کند. آنچه ارگانیسم از آن استفاده می کند، عبارت است از یک شاتل پروتئین و فرودیکسین که الکترون های حاصل از واکنش فوتولیسیس آب را به آنزیم های هیدروژنی انتقال می دهند.پیش زمینه: راهی ساده و آسان برای فوتولیسیس آب (روشی که هیدروژن را به وسیله آن آزاد می کنیم) در یک ارگانیسم زنده وجود دارد که می تواند بازده انرژی قابل توجهی داشته باشد. فتوسیستم باکتری مانندسینکوسینیس، نور خورشید را شکار و آب را برای تولید اکسیژن مولکولی، پروتون ها و الکترون های متحرک به توسط آن تجزیه می کند. این الکترون ها به پروتئینی حامل الکترون ها که فرودیکسین نامیده می شود، منتقل می شوند. آنزیم هیدروژن ساز سیانوباکتریوم به درون فرودیکسین، آنزیم الکترون های فرودیکسین را با پروتون ترکیب می کند و هیدروژن مولکولی می سازد. بزرگ ترین مشکل در این میان این است که آنزیم های هیدروژن ساز به وسیله مولکول اکسیژن بی اثر شوند.برای حل این مشکل براساس ساختار سه بعدی و خواص مولکولی Fe-s Hydrogenase این آنزیم را به گونه ای ارتقا می دهند که بتواند حضور اکسیژن را تحمل کند. انتظار بر این است که امکان مهندسی آنزیمی با ساختاری دگرگون یافته به گونه ای وجود داشته باشد که مولکول اکسیژن از آنزیمی با پوسته Fe-s به هنگام واکنش دور شود، اما هیدروژن تولیدی راهمچنان در خود نگاه دارد. برای این منظور امروزه از پروتکلی به نام «تحول پروتئینی» استفاده می شود. برای موفقیت آمیز بودن این روش، می باید تنوعی ژنتیکی در اطراف DNA که نخستین کدهای ساخت پروتئین مورد نظر را دارد، ایجاد کرد. این بخش دست یافتنی است.چالش اساسی پیش رو در این راه، یافتن روشی برای انتخاب از میان ده ها هزار پروتئین انتخاب شده مناسب برای این آزمایش است. تنها تعداد اندکی از این پروتئین ها خاصیت مصونیت در برابر اکسیژن را دارند. اگر کسی بتواند این توانایی را در همان پروتئین ها تقویت کند، آنگاه امکان یافتن آنزیم های مصون در برابر اکسیژن به صورت پی در پی وجود خواهد داشت. این آزمایش ها اکنون در مراکز تحقیقی دانشگاه استنفورد در حال انجام هستند.مهم ترین توانمندی قابل دستیابی در این پروژه، چیدن پروتئین های عادی از سلول در کنار یکدیگر است. هر پروتئین انتخاب شده به صورت زنجیره ای امتداد خواهد یافت تا بتواند به دیواره محفظه microtiter بچسبد.هنگامی که واکنش کامل شد محفظه از محلول حاصل از واکنش پاک می شود، اما آنزیم هیدروژن ساز محصول باقی خواهد ماند. آنگاه باقی واکنش با استفاده از کاهش مقدار فرودیکسین (که به عنوان منبع الکترون عمل می کند) کنترل می شود و واکنش تحت فشار نسبی اکسیژن ادامه می یابد.از آنجاکه مهندسی Hydrogenase (آنزیم هیدروژن ساز مقاوم به اکسیژن) چالشی آزمایشی و بسیار مهم تلقی می شود، روشی دیگر نیز در حال آزمایش است که در آن تولید فتوسینتیک هیدروژن به وسیله اجزای آنوکسیک که در باکتری Cyanobacteria یافت می شود، صورت می پذیرد. در باکتری نورزای سیانوباکتری، آب فتولتیک از محلول نیتروژنی حساس به اکسیژن جدا می شود. اکسیژن وابسته به نور تنها در سلول های با منشأ گیاهی آزاد می شود، در حالی که محلول نیتروژنی تنها به هتروکسیت های آنوکسیک محدود است.درون هتروکسیت ها، فتوسنتز اکسیژن سرکوب می شود. این عمل به همراه دیگر سازکارهای خورنده اکسیژن، محیطی آنوکسیک را برای فعالیت مناسب نیتروژن سازها فراهم می کند. باقی مانده سلول های با منشأ گیاهی موجود در آزمایش می توانند فتوسنتز اکسیژن را انجام دهند و انرژی نور را درون ساکاروز کربنی به عنوان منبع، ذخیره کنند. می توان ساکاروز را به درون هتروکسیت منتقل کرد تا به عنوان سوخت در محلول نیتروژن عمل کند؛ در نتیجه ارگانیسم ایده آل ما ساکاروز را بیشتر برای سوخت تولید هیدروژن به کار می گیرد تا برای تولید محلول نیتروژن.

منبع : شبکه اطلاع رسانی شانا