Оригинальная статья

Фотобиологическое производство водорода из цианобактерий Anaebena variabilis

Профессор Лоран Пилон

Мемориальная лаборатория теплопередачи
Моррина-Мартинелли-Джера 
Калифорнийского университета
Лос-Анджелес

 

Мотивация

Промышленные страны в целом и Соединенные Штаты Америки в частности сталкиваются с беспрецедентным сочетанием экономических и экологических проблем. Во-первых, они сталкиваются с серьезной проблемой удовлетворения растущих потребностей в энергии, не добавляя в атмосферу недопустимого количества парниковых газов и не оказывая дополнительного воздействия на климат и окружающую среду. Запасы дешевых природных ресурсов, на которые мир полагался десятилетиями, теперь оцениваются в десятки лет. Доказательства глобального потепления, уже собранные по всему земному шару и, скорее всего, из-за промышленной деятельности, еще больше подчеркнут хрупкий баланс, которым мы еще наслаждаемся. Чтобы противостоять этим сложным задачам и создать технологические и экономические возможности, Соединенные Штаты должны уменьшить свою зависимость от иностранных ископаемых видов топлива и больше полагаться на сочетание (i) устойчивых систем преобразования и транспортировки энергии, (ii) безмасляной энергии источники и (iii) новые технологии для улавливания и преобразования углекислого газа.

Целью этого проекта является проведение комплексного исследования для одновременного уменьшения выбросов углекислого газа и производства водорода. Исследование предлагает дешевую, эффективную, масштабируемую, автономную и надежную систему для производства водорода из микробного потребления углекислого газа и поглощения солнечного света.

 

Принцип

Цианобактерии производят водород и кислород путем (i) потребления газа CO 2 в качестве источника углерода и (ii) поглощения солнечного света в качестве источника энергии.

Анабена Вариабилис

Цианобактерии Anabaena variabilis являются:

Нитевидными, гетероцистными цианобактериями.

Возможностью получения высокой производительной мощности водорода  при отсутствии азота .

Представляются хорошим потребителем углекислого газа .

Приблизительно 5 мкм в диаметре и 100 мм в длину.

Геном этих цианобактерий был секвенирован.

Фотобиореактор. Описание и работа

Мы спроектировали, построили и сейчас продолжаем работать с полностью оснащенным фотобиореактором. Систематически выполняются следующие измерения:

 

В окружающей среде В жидкой фазе- В газовой фазе
Интенсивность падающего света

расход газа

 – температура

– pH, 

– растворенный O 2

–  нитраты,

– аммиак-

 – расход, давление, 

-состав газа (O 2 H 2 СО 2 и N 2 )-

Фотобиореактор работает в два этапа.

Переключение со стадии 1 на стадию 2 происходит, когда концентрации нитратов в жидкой фазе исчезает.

Стадия 1: потребление диоксида углерода и рост бактерий

– наличие нитратов и азота.

– барботирование 95% воздуха и 5% CO 2 со скоростью 170 мл / мин.

– освещенность: 65-75 мкмоль / м 2 / с.

Стадия 2: Производство водорода

– отсутствие нитратов и азота.

– барботирование чистым аргоном со скоростью 45 мл / мин

– освещенность: 150 мкмоль / м 2 /.

 

 

 

Результаты
  • Фаза роста длилась 110 часов.
  • Этап производства H2 продолжался более недели.
  • Эффективность преобразования энергии света в водород достигла 0,5%.
  • Эффективность преобразования энергии света в биомассу составила 4,7%.

Публикации

Л. Пилон и Х. Бербероглу, 2014. Фотобиологическое производство водорода . Справочник по водородной энергетике, С.А. Шериф, Д.Ю. Госвами, Е.К. Стефанакос, А. Штейнфельд, ред., CRC Press, Тейлор и Фрэнсис, Бока-Ратон, Флорида. ISBN-13: 978-1420054477 .

Л. Пилон, Х. Бербероглу и Р. Кандилиан, 2011. Перенос излучения в фотобиологической фиксации CO 2 и выработке топлива микроводорослями , Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения, Vol. 112, нет. 17, с. 2639–2660. doi: 10.1016 / j.jqsrt.2011.07.004 pdf

Х. Бербероглу и Л. Пилон, 2010. Максимизация эффективности преобразования солнечной энергии в H 2 у наружных фотобиореакторов с использованием смешанных культур . Международный журнал водородной энергетики, Vol. 35, с. 500-510. doi: 10.1016 / j.ijhydene.2009.11.030 pdfBerberoğlu, P. Gomez, L. Pilon, 2009. Радиационные характеристики Botryococcus braunii, Chlorococcum littorale и Chlorella sp. Используется для фиксации CO 2и производства биотоплива, Журнал количественной спектроскопии и радиационного переноса, Vol. 110, с. 1879–1893. doi: 10.1016 / j.jqsrt.2009.04.005 pd

Berberoğlu, J. Jay, L. Pilon, 2008. Влияние питательной среды на образование водорода A. variabilis в плоскопанельном фотобиореакторе.Международный журнал водородной энергетики, Vol. 33, № 4, с.1172 – 1184. doi: 10.1016 / j.ijhydene.2007.12.036 pdf

Х. Бербероглу и Л. Пилон, 2007. Экспериментальные измерения радиационных характеристик Anabaena variabilis ATCC 29413-U и Rhodobacter sphaeroides ATCC 49419 , Международный журнал по водородной энергетике, Vol. 32, № 18, с.4772-4785. doi: 10.1016 / j.ijhydene.2007.08.018 pdf

 

Об авторе

Профессор Лоран Пилон

Мемориальная лаборатория теплопередачи
Моррина-Мартинелли-Джера 
Калифорнийского университета
Лос-Анджелес
Профессиональный опыт

Калифорнийский университет, Лос-Анджелес, Калифорния – США

  • 2012-настоящее время – профессор
  • 2008-2012 – доцент
  • 2002-2008 – доцент
Образование

  • Доктор философии в области машиностроения – Университет Пердью, Западный Лафайет, Индиана, 2002 г.
  • Магистр прикладной физики – Технологический институт Гренобля, Франция, 1997 г.
  • Бакалавр прикладной физики – Технологический институт Гренобля, Франция, 1997 г.

Почести и награды

 

Книги и главы книг

___________________________________________________________________________________________________________________________

Л. Пилон и И. М. МакКинли, 2016. Глава 7: Пироэлектрическое преобразование энергии в «Ежегодном обзоре теплопередачи», Vol. 19, стр. 279–334, Г. Чен, редактор, Begell House, Данбери, Коннектикут. ISSN: 1049-0787. DOI: 10.1615 / AnnualRevHeatTransfer.2016015566 pdf

Я. Прувост, Ж.-Ф. Корнет и Л. Пилон, 2016. Глава 3: Крупномасштабное производство водорослевой биомассы : фотобиореакторы, в «Биотехнологии водорослей: продукты и процессы», стр. 41-66, Ю. Чисти и Ф. Букс, редакторы, Springer, Великобритания. . ISBN-13: 978-3-319-12334-9. DOI: 10.1007 / 978-3-319-12334-9_3 pdf

Л. Пилон и Р. Кандилиан, 2016. Глава 2: Взаимодействие между светом и фотосинтетическими микроорганизмами , достижения в химической инженерии. Vol. 46, pp. 107-149, Thematic Issue on Photobioreaction Engineering, J. Legrand, Editor, Elsevier, Нидерланды. ISBN: 978-0-12-800422-7. DOI: 10.1016 / bs.ache.2015.12.002 pdf

Л. Пилон и Х. Берберглу, 2014. Фотобиологическое производство водорода . Справочник по водородной энергии, С. А. Шериф, Д. Ю. Госвами, Е. К. Стефанакос, А. Стейнфельд, редакторы, CRC Press, Тейлор и Фрэнсис, Бока-Ратон, Флорида. ISBN-13 : 978-1420054477 . pdf

Л. Пилон, 2014. Хранение водорода в полых стеклянных микросферах . С.А. Шериф, Д.Ю. Госвами, Е.К. Стефанакос, А. Стейнфельд, редакторы, CRC Press, Тейлор и Фрэнсис, Бока-Ратон, Флорида. ISBN-13 : 978-1420054477 . pdf

Л. Пилон, 2012. Пены в производстве стекла в пенотехнике: основы и приложения, под редакцией П. Стивенсона, Wiley-Blackwell, Соединенное Королевство (приглашенный вклад). ISBN: 978-0-470-66080-5. DOI: 10.1002 / 9781119954620.ch16 pdf

Л. Пилон, 2003. Межфазные и транспортные явления в пеноматериалах с закрытыми порами . UMI # 3105002, UMI, Анн-Арбор, Мичиган, 2003 г. pdf