Μικροοργανισμοί και καύσιμα; Τι σχέση μπορεί να έχουν;
Έγινε ενημέρωση: 3 Νοε 2020
Μπορεί να ακούγεται αντιφατικό, είναι όμως πέρα ως πέρα αληθινό. Ο μαγικός και πολύπλοκος κόσμος των μικροοργανισμών μας δίνει περισσότερα προϊόντα από όσα μπορεί να φανταστούμε. Μία ιδιαίτερη κατηγορία, είναι τα καύσιμα.
Βιοκαύσιμα
Τα καύσιμα που παράγονται από μικροοργανισμούς ονομάζονται βιοκαύσιμα. Υπάρχουν πολλοί μικροοργανισμοί που παράγουν βιοκαύσιμα. Στον πίνακα 1 μπορούμε να ανασκοπήσουμε μερικά από τα βιοκαύσιμα και τους μικροοργανισμούς που τα παράγουν.
Πίνακας 1: Μικροοργανισμοί και παραδείγματα βιοκαυσίμων που παράγονται από αυτούς.
Γιατί όμως είναι απαραίτητη η στροφή προς τη χρήση βιοκαυσίμων; Γνωρίζουμε ότι η αλόγιστη χρήση των ορυκτών υδρογονανθράκων, όπως το κάρβουνο και το πετρέλαιο, κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα οδήγησε στη δραματική αύξηση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και άλλων αερίων στην ατμόσφαιρα. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα η ηλιακή ακτινοβολία να παγιδεύεται στην ατμόσφαιρα, και να οδηγεί σε σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη. Το φαινόμενο πήρε το όνομά του από το θερμοκήπιο, μια κατασκευή που σκοπό έχει να προστατεύσει τα φυτά από ακραίες συνθήκες παγιδεύοντας τις ακτίνες του ήλιου. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου, εκτός από τη σταδιακή αύξηση της μέσης θερμοκρασίας του πλανήτη, έχει ως συνέπεια το λιώσιμο των παγετώνων που με τη σειρά του οδηγεί σε σταδιακή αύξηση της στάθμης των ωκεανών. Η αύξηση της στάθμης των υδάτων, έχει δραματικές επιπτώσεις στη ζωή εκατομμυρίων ανθρώπων. Στην εικόνα 1 μπορούμε να δούμε τα αποτελέσματα του φαινομένου ανά τα χρόνια.
Γιατί όμως η αντικατάσταση των καυσίμων με βιοκαύσιμα θα μπορούσε να βοηθήσει την κατάσταση; Το βιοϋδρογόνο, δηλαδή το υδρογόνο που παράγεται από μικροοργανισμούς είναι ένα καλό παράδειγμα για τα οφέλη που προσφέρουν τα βιοκαύσιμα και για λόγους διευκόλυνσης θα εστιάσουμε σε αυτό.
Το υδρογόνο είναι ένα χημικό στοιχείο που στην καθαρή του μορφή είναι άχρωμο, άοσμο, μη τοξικό και αμέταλλο αέριο. Στην καθαρή του μορφή, που είναι σπάνια στη φύση, είναι ιδιαίτερα εύφλεκτο. Όταν καεί, παράγεται νερό, που είναι μια από τις πιο συνηθισμένες μορφές υδρογόνου που βρίσκουμε στο περιβάλλον.
Στη φύση, έχουν βρεθεί μικροοργανισμοί, όπως τα άλγη και τα κυανοβακτήρια, που μπορούν να παράγουν μια μορφή υδρογόνου που ονομάζεται βιοϋδρογόνο. Τα άλγη και τα κυανοβακτήρια είναι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, δηλαδή μπορούν να εκμεταλλευτούν την ηλιακή ενέργεια, και ανόργανα συστατικά, όπως το νερό και το διοξείδιο του άνθρακα, για να παράγουν τα απαραίτητα συστατικά για την επιβίωσή τους. Στη διάρκεια της βιοχημικής διαδικασίας της βιοφωτόλυσης, το νερό διασπάται στα βασικά του συστατικά, που είναι ιόντα οξυγόνου και υδρογόνου. Τα ιόντα οξυγόνου παράγουν μοριακό οξυγόνο και απελευθερώνεται στο περιβάλλον, ενώ το υδρογόνο μετατρέπεται σε μοριακό υδρογόνο με τη βοήθεια της ηλιακής ενέργειας και ενός ενζύμου γνωστού ως υδρογονάση. Στη συνέχεια το μοριακό υδρογόνο απελευθερώνεται στο περιβάλλον.
Τόσο τα άλγη όσο και τα κυανοβακτήρια μπορούν να καλλιεργηθούν σε ελεγχόμενες συνθήκες. Η δυνατότητα της ελεγχόμενης καλλιέργειας, επιτρέπει την εύκολη συλλογή του υδρογόνου και τη μετέπειτα αξιοποίηση του.
Το βασικό πλεονέκτημα του υδρογόνου έναντι των ορυκτών καυσίμων είναι ότι κατά την καύση του δεν παράγεται διοξείδιο του άνθρακα, αλλά καθαρό νερό σύμφωνα με τη χημική εξίσωση:
2H2 + O2 → 2H2O
Το υδρογόνο (Η2) λοιπόν έχει προσελκύσει την προσοχή ως αντικαταστάτης των ορυκτών καυσίμων γιατί το διοξείδιο του άνθρακα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή βιοϋδρογόνου από τα άλγη και τα κυανοβακτήρια. Ένα άλλο μεγάλο πλεονέκτημα είναι πως η αέρια μορφή με την οποία παράγεται από τους μικροοργανισμούς επιτρέπει την εύκολη εξαγωγή του από μικροβιολογικές καλλιέργειες χωρίς την απαίτηση για πολύπλοκες και πολυδάπανες τεχνικές απομόνωσης. Επίσης τα άλγη και τα κυανοβακτήρια μπορούν να αναπτυχθούν σε αστικά ακατέργαστα λύματα, που σημαίνει ότι μπορούμε να παράγουμε βιοϋδρογόνο απευθείας από τα λύματα.
Ωστόσο υπάρχουν ορισμένα μειονεκτήματα τα οποία καθιστούν μια μεγάλης κλίμακας παραγωγή βιοϋδρογόνου δύσκολη. Η απομόνωση διοξειδίου του άνθρακα απαιτεί χημικές διαδικασίες οι οποίες είναι επιβλαβείς για το περιβάλλον και αυξάνουν το κόστος παραγωγής βιοϋδρογόνου. Ακόμη, η χρήση μεγάλου μεγέθους βιοαντιδραστήρων, ειδικά σχεδιασμένων για τη μαζική ανάπτυξη άλγεων και κυανοβακτηρίων, απαιτεί με την παρούσα τεχνολογία μεγάλη έκταση (έως και 400.000 m2) και το κόστος τους μπορεί να υπερβεί και τα 3000 €/m2. Παρ' όλες τις τεχνικές δυσκολίες, ο κόσμος των μικροοργανισμών μπορεί να κρύβει τη λύση για τη βελτίωση του φαινομένου του θερμοκηπίου. Περαιτέρω έρευνα θα βελτιώσει τις συνθήκες παραγωγής βιοκαυσίμων κάνοντάς τις πιο αποδοτικές και φιλικότερες προς το περιβάλλον.
Τι να θυμάσαι:
Υπάρχουν μικροοργανισμοί που παράγουν βιοκαύσιμα.
Το διοξείδιο του άνθρακα συμμετέχει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου.
Τα βιοκαύσιμα μπορούν να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα.
Το υδρογόνο που παράγεται από άλγη και κυανοβακτήρια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βιοκαύσιμο.
Η παραγωγή βιοϋδρογόνου απαιτεί ηλιακή ενέργεια και διοξείδιο του άνθρακα.
Για περισσότερες πληροφορίες:
Das Debabrata , Veziroglu T. Nejat . (2008). Advances in Biological Hydrogen Production Processes. International Association for Hydrogen Energy. 33: 6046–6057
Debajyoti Dutta, Debojyoti De, Surabhi Chaudhuri, Sanjoy K Bhattacharya. (2005). Hydrogen production by Cyanobacteria. Microbial Cell Factories. 4: 36
Kumar Ravinder, Kumar Pradeep. (2017). Future Microbial Applications for Bioenergy Production: A Perspective. Frontiers in Microbiology. 8: 450
Niels-Henrik Norsker, Maria J. Barbosa, Marian H. Vermuë, and René H. Wijffels. (2012). On Energy Balance and Production Costs in Tubular and Flat Panel Photobioreactors. Technikfolgenabschätzung–Theorie und Praxis. 21: 54-62
Trygve Riis, Elisabet F. Hagen, Preben J. S. Vie, Øystein Ulleberg. (2005). Hydrogen Production - Gaps and Priorities. IEA Hydrogen Implementing Agreement. 1: 1-11
Εικόνα 1: http://data.giss.nasa.gov/gistemp/