光発酵

光発酵は、嫌気性発酵に似た 3 つのステップを含む一連の生化学反応によって、多様な光合成細菌群によって発現される有機基質のバイオ水素への発酵変換です。光発酵は光の存在下でのみ進行するため、暗発酵とは異なります。

例えば、ロドバクター・スフェロイデスSH2C（または他の多くの紅色非硫黄細菌^[1]）による光発酵は、小分子脂肪酸を水素^[2]やその他の生成物に変換するために使用できます。

光依存経路

光屈性細菌

光合成細菌は光発酵によって水素ガスを生成するが、その水素は有機化合物から供給される。^[4]

${\ce {C6H12O6 + 6H2O ->[{hv}] 6CO2 + 12H2}}$ ^[4]

光分解生産者

光分解生産者は光栄養生物に似ていますが、生物が光と相互作用するときに分解される水分子から水素を供給します。^[4]光分解生産者は藻類と特定の光合成細菌で構成されています。^[4]

${\ce {12H2O ->[{hv}] 12H2 + 6O2}}$ （藻類）^[4]

${\ce {CO + H2O ->[{hv}] H2 + CO2}}$ （光分解細菌）^[4]

持続可能なエネルギー生産

紫色の非硫黄生成細菌による光発酵は、バイオ燃料の生産方法として研究されてきました。^[5]これらの細菌の天然発酵産物である水素ガスは、天然ガスエネルギー源として利用できます。^[6]^[7]細菌の代わりに藻類による光発酵は、他の液体燃料の代替品の中でもバイオエタノールの生産に使用されています。^[8]

機構

細菌とそのエネルギー源は、空気を通さず酸素のないバイオリアクターチャンバー内に保持されます。 ^[7]細菌種にとって適切な温度がバイオリアクター内で維持されます。^{[7]細菌は、単純な}糖分子からなる炭水化物食で維持されます。^[9]炭水化物は通常、農業または林業廃棄物から供給されます。^[9]

バリエーション

科学者たちは、野生型のロドシュードモナス・パルストリスに加えて、遺伝子組み換え型も水素生成に使用してきました。 ^[5]その他の研究には、バイオリアクターシステムを拡張して、細菌、藻類、シアノバクテリアの組み合わせを保持することが含まれます。^[7]^{[9]エタノール生産は、他の種の中でも特に藻類の}クラミドモナス・ラインハルティによって、明暗の環境を循環させることで行われます。^[8]明暗の環境の循環は、水素生成のために細菌で研究され、水素収量を増加させています。^[10]

利点

細菌には通常、ウォーターレタスやテンサイの糖蜜などの分解された農業廃棄物や不要な作物が与えられます。^[11]^[5]このような廃棄物が豊富にあるため、細菌の安定した食料源が確保され、人間が生み出した廃棄物が生産的に使用されます。^[5]暗発酵と比較して、光発酵は反応ごとにより多くの水素を生成し、暗発酵の酸性の最終生成物を回避します。^[12]

制限事項

持続可能なエネルギー源としての光発酵の主な制限は、バイオリアクター内の細菌を維持するための厳密な要件に起因しています。 ^[7]研究者は、バイオリアクター内の細菌の温度を一定に保つことが難しいことを発見しました。^[7]さらに、細菌の増殖培地は、バイオリアクターシステムに空気を導入せずに回転して更新する必要があり、すでに高価なバイオリアクターのセットアップが複雑になります。^[7]^[9]

参照

参考文献

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外部リンク

光発酵
固体キャリア支援発酵と内部光ファイバー照明による光屈性水素生産の強化

[1] Redwood MD、Paterson-Beedle M、Macaskie LE (2009 年 6 月)。「ダークバイオ水素とライトバイオ水素の生産戦略の統合: 水素経済に向けて」( PDF)。環境科学とバイオ/テクノロジーのレビュー。8 (2): 149–185。doi : 10.1007 /s11157-008-9144-9。S2CID 83562378 。

[2] Tao Y、Chen Y、Wu Y、He Y、Zhou Z (2007 年 2 月)。「スクロースの暗発酵と光発酵の 2 段階プロセスによる高水素収率」。International Journal of Hydrogen Energy。32 ( 2): 200–6。doi :10.1016/j.ijhydene.2006.06.034 。

[3] Gabrielyan, Lilit; Sargsyan, Harutyun; Trchounian, Armen (2015-09-04). 「紫色細菌 Rhodobacter sphaeroides による光発酵バイオ水素生産の新しい特性: プロトノフォアと責任酵素の阻害剤の影響」.微生物細胞ファクトリー. 14 (1): 131. doi : 10.1186/s12934-015-0324-3 . ISSN 1475-2859. PMC 4558839. PMID 26337489 .

[:4-4] Ghimire A、Frunzo L、Pirozzi F、Trably E、Escudie R、Lens PN、Esposito G (2015 年 4 月)。「有機バイオマスからの暗発酵バイオ水素生産に関するレビュー: プロセスパラメータと副産物の利用」( PDF )。Applied Energy。144 :73–95。doi :10.1016/ j.apenergy.2015.01.045。

[:3-5] Corneli E、Adessi A、Olguín EJ、Ragaglini G、García-López DA、De Philippis R (2017 年 12 月)。「Rhodopseudomonas palustris によるウォーターレタス (ボタンウキクサ) のバイオ水素への生物変換」。応用微生物学のジャーナル。123 (6): 1438–1446。土井：10.1111/jam.13599。hdl : 2434/837874。PMID 28972701。S2CID 4312887 。

[:0-6] ^ Laurinavichene T、Tekucheva D、Laurinavichius K、Tsygankov A (2018 年 3 月)。 「光発酵を伴う 1 段階および 2 段階プロセスでの水素製造のための蒸留所廃水の利用」。酵素および微生物技術。110 : 1–7。doi :10.1016/ j.enzmictec.2017.11.009。PMID 29310850 。

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[:5-8] Costa RL、Oliveira TV、Ferreira J、Cardoso VL、 Batista FR（2015年4月）。「光発酵によるバイオエタノール生産の将来技術」。バイオリソーステクノロジー。181：330–7。doi ：10.1016/j.biortech.2015.01.090。PMID 25678298 。

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[12] ^ Chandrasekhar K、Lee YJ、Lee DW（2015年4月）。 「バイオ水素製造：微生物経路によるプロセス効率向上戦略」。International Journal of Molecular Sciences。16（4）：8266–93。doi ：10.3390 / ijms16048266。PMC 4425080。PMID 25874756。