A Chlamydomonas reinhardtii egysejtű zöldalga mikroszkópképenForrás: MTA SZBK
Az eddigieknél hatékonyabban lehet hidrogéngázt előállítani zöldalgák segítségével az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpontjában (MTA SZBK) kifejlesztett új módszer segítségével – egyelőre laboratóriumi körülmények között. A 2010 óta folyó kutatásnak már több olyan eredménye van, amelyek együttesen arra utalnak, hogy a jövőben a szabadban, de legalábbis üvegházakban környezetbarát módon lehet hidrogént termelni.
A kőolaj- és vegyipar, valamint az élelmiszeripar nagy mennyiségben használ hidrogéngázt (H2), amelyet jelenleg a legnagyobb mennyiségben földgázból állítanak elő, ami rendkívül nagy szén-dioxid-kibocsátással jár. A hidrogént védőgázként, nyomjelző gázként, hűtőközegként is használják. A gáz vagy cseppfolyós halmazállapotban is tárolható hidrogén energiahordozóként, üzemanyagként is beválna, amennyiben sikerül nagy mennyiségben, jelentős üvegházgáz-kibocsátás nélkül termelni.
A zöldalgák (például a Chlamydomonas reinhardtii) a fotoszintézis során fény és víz felhasználásával cukrokat állítanak elő, de képesek hidrogén termelésére is. Az élő szervezeteket tekintve elméletileg ez a leghatékonyabb módja a napsugárzás kémiai energiává alakításának: a természetben is megtalálható zöldalgafajoknál ez a hatékonyság mintegy 13%, ami egy nagyságrenddel jobb, mint a biomassza-alapú megújuló energiaforrások esetében.
Hogyan termel H2-t az alga?
A természetben a fotobiológiai úton történő hidrogéntermelés csak néhány percig tart: a zöldalgák éjszaka gyakran kerülnek oxigénmentes környezetbe, aminek hatására hidrogenáz enzimek képződnek. Amikor felkel a nap, megindul a hidrogéntermelés, majd a fotoszintézis során termelt nagy mennyiségű oxigén hatására a hidrogenáz enzimek elveszítik aktivitásukat, s a hidrogéntermelés leáll.
A hidrogéntermelés folyamata meghosszabbítható, ha az algát stresszhatásnak tesszük ki, például megfosztjuk a kéntől. E módszer azonban biotechnológiai szempontból nem hasznosítható, mivel nem elég hatékony, továbbá a kénhiány olyan jelentős stresszfaktor, amely miatt néhány napon belül a sejtek elpusztulnak. „E tényezők erősen megkérdőjelezték, hogy az algák egyáltalán hasznosíthatók lesznek-e a jövőben ipari hidrogéntermelésre” – mondja Tóth Szilvia Zita, az MTA SZBK Lendület Molekuláris Fotobioenergetikai Csoportjának tudományos főmunkatársa.
„Az általunk kidolgozott újabb módszer alapja az, hogy az algasejtek számára nem biztosítunk sem szén-dioxidot, sem más szénforrást, így a fotoszintetikus apparátus által szállított elektronok és protonok a szén-dioxid-fixáció helyett hidrogéntermelésre fordítódnak. A módszer nem jár erős stresszhatással, a fotoszintetikus apparátus több nap után is megfelelően működik. Értelemszerűen nem szükséges szénforrás, harmadrészt pedig a megoldás hatékonyabb, mint a korábbi, kénmegvonásos hidrogéntermelés” – foglalja össze az eddig elért eredményeket Tóth Szilvia Zita. A kutató Iftach Yacobyval, a Tel-avivi Egyetem Megújuló Energiaforrások Laboratóriumának vezetőjével közös cikke a napokban jelent meg a Trends in Biotechnology folyóiratban. A szegedi kutatócsoport módszerét részleteiben leíró cikk 2018-ban jelent meg a Biotechnology for Biofuels folyóiratban. (A tanulmány címe: Paradigm Shift in Algal H2 Production: Bypassing Competitive Processes)
Precíziós nemesítés és fotobioreaktor
Az ipari nagyságrendben és gazdaságosan történő termeléshez maximalizálni kell az algák hidrogéntermelésének hatékonyságát, amihez például biztosítani kell, hogy a hidrogén és az oxigén gyorsan eltávozzon az algakultúrából. Ehhez speciálisan kialakított foto-bioreaktor szükséges.
Ha abból indulunk ki, hogy egy mediterrán sivatagos területen egy négyzetméterre 7726 MJ napenergia érkezik évente, vad algafajok felhasználásával – a maximális elméleti hatásfok elérése esetén – körülbelül 7 kilogramm hidrogén termelhető. Az algatörzsek precíziós nemesítésével a hidrogéntermelés hatásfoka tovább növelhető – derül ki a tanulmányból. Az is fontos szempont, hogy az algakultúrák a hidrogéntermelés alatt jól bírják a szabadföldi fényterhelést.
A kísérletek jelenleg kisméretű foto-bioreaktorok felhasználásával folynak a Szegedi Biológiai Kutatóközpontban. A légmentesen zárt üvegeket több napon át monitorozzák a kutatók, gázkromatográfia segítségével mérve a hidrogén- és oxigéntermelés szintjét. Nemrégiben növelték a térfogatot, az algakultúrákat nagy töménységben, de vékony rétegben helyezik el a foto-bioreaktorban, és ezzel együtt megnövelték a gáztérfogatot. „Legújabban az automatizáláson dolgozunk, hogy online módon is mérni tudjuk a hidrogén- és oxigéntermelést. A következő lépés pedig egy üvegházi foto-bioreaktor építése lesz, egy-két éven belül. Ez újabb léptékváltást jelent, s egy ilyen reaktornak is nyilván automatizáltnak kell lennie” – teszi hozzá a kutató.
A kutató elmondta: alapvetően a fotoszintézis, továbbá a C-vitamin kutatásával foglalkozik. Az első eredmény az volt, amikor munkatársaival bebizonyították, a C-vitamin hatással van az algák hidrogéntermelésére. Fokozatosan haladtak az alapkutatási folyamatoktól a gyakorlati alkalmazás irányába, amelynek egyik fontos állomása volt, hogy módszerükre 2017-ben európai szintű szabadalmat jelentettek be (Nagy Valéria és Tóth Szilvia Zita, PCT/EP2018/053115). A további lépésekhez ipari partnereket keresnek.
„Soha nem gondoltam volna, hogy egy multicéggel fogok tárgyalni a kutatási eredményeim alkalmazásáról.
De ha alapkutatással foglalkozva új és új lehetőségek nyílnak meg az ember előtt, akkor azokkal nyilván élni fog” – mondja a kutató.
Tóth Szilvia Zita ugyanakkor a túlzott várakozásoktól is óvni szeretne. A tanulmányban is igyekeztek felhívni a figyelmet arra, hogy folyamatban levő kutatásról van szó. Azt nem lehet garantálni, hogy a kidolgozott hidrogéntermelési módszer ipari méretekben is rentábilis lesz, és például elegendő mennyiségben lehet majd hidrogént előállítani az autóipar számára. „Ami az ipari felhasználást illeti, még számos tényezőt nem látunk előre. Az sem kizárt, hogy a módszer speciális célokra válik be majd a legjobban. Gondoljunk az élelmiszeriparra, amely szintén sok hidrogént használ fel, az algák segítségével előállított hidrogén pedig rendkívül tiszta és biológiai eredetű.”
