Παραγωγή υδρογόνου μέσω φωτοηλεκτροχημικών-φωτοσυνθετικών διεργασιών

Περίληψη

Όλα τα τεκμήρια στο ΕΑΔΔ προστατεύονται από πνευματικά δικαιώματα.

Ο σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι η παραγωγή υδρογόνου, ως καύσιμο νέας γενιάς, ταυτόχρονα με την αποικοδόμηση ρύπων που βρίσκονται σε υγρά απόβλητα. Για την εκπλήρωση του στόχου αυτού αναπτύχτηκε μια νέα μεθοδολογία, η οποία συνδυάζει την ενζυματική παραγωγή υδρογόνου με τη φωτοηλεκτροχημική διάσπαση οργανικών ρύπων. Για την υλοποίηση της μεθόδου κατασκευάστηκε και παρουσιάστηκε, για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία ένα υβριδικό φωτοηλεκτροχημικό-ενζυματικό σύστημα, στο οποίο, ταυτόχρονα με την παραγωγή υδρογόνου στο καθοδικό του τμήμα από τα ένζυμα υδρογενάσης, στο ανοδικό τμήμα λαμβάνει χώρα η φωτοηλεκτροκαταλυτική οξείδωση οργανικών ρύπων. Ο κύριος στόχος της εργασίας ήταν η αντικατάσταση των πολύπλοκων φυσικών συστημάτων (PSII, PSI, FDX κ.α.) που λειτουργούν κατά τη φωτοσύνθεση με μια ημιαγώγιμη άνοδο, η οποία επιπλέον, υπό την επίδραση ακτινοβολίας, μπορεί ταυτόχρονα και να οξειδώνει οργανικές ενώσεις. Επίσης, καινοτομία αποτελεί το γεγονός πως στο καθοδικό τμήμα δε χρησιμοποιήθηκαν καθαρά ένζυμα, αλλά ολόκληρα τα ευκαριωτικά κύτταρα Chlamydomonas Reinhardtii το στέλεχος CC-124, τα οποία μπορούν και εκφράζουν τα ένζυμα υδρογενάσης σε συνθήκες έλλειψης θείου και οξυγόνου. Tα σημαντικότερα αποτελέσματα που προέκυψαν από την εφαρμογή της μεθόδου στην πρότυπη φωτοηλεκτροχημική-ενζυμική υβριδική κυψέλη συνοψίζονται ως εξής: Η οξείδωση και η ανοργανοποίηση 10 mg L⁻¹ αντιβιοτικού Χλωραμφενικόλη, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ως ρύπος μοντέλο, ήταν 100% και 50%, αντίστοιχα, ύστερα από 8 ώρες φωτισμού (ένταση φωτός 3.9 mW cm⁻²) της ανόδου TiO₂, σε δυναμικό πόλωσης +0.6 V vs Ag/AgCl και πυκνότητα φωτορεύματος περίπου 28 μA cm⁻². Την ίδια στιγμή, στο καθοδικό τμήμα της κυψέλης παράχθηκαν σε θρεπτικό υλικό TAP-SF, παρουσία ~1.9 107 κυττάρων άλγεων mL⁻¹ (δραστικότητα ενζύμων υδρογενάσης ~1.75 10⁻² units), 0.4 mM Triton X 100 και 0.010 mM MV⁺², περίπου 110 μmol H₂ σε 7.5 ώρες φωτισμού της ανόδου, δηλαδή ρυθμός ενζυμικής παραγωγής υδρογόνου ίσος με 0.24 μmol H₂ min⁻¹. Η απόδοση του συστήματος που ορίζεται ως ο αριθμός των φωτονίων που προσπίπτει στην επιφάνεια της ανόδου και μετατρέπονται εμμέσως σε υδρογόνο ορίζεται ως IPCH2E και βρέθηκε ίσος με 1.56%. Ο ρόλος του απορρυπαντικού Triton X 100 είναι η διαλυτοποίηση των μεμβρανών των κυττάρων, ενώ το Methyl Viologen (MV⁺²) έχει το ρόλο του διαμεσολαβητή φορτίου από το ηλεκτρόδιο της καθόδου (ράβδος γραφίτη) στα ένζυμα υδρογενάσης. Πρόκειται για μια μέθοδο τεχνητής φωτοσύνθεσης, η οποία έχει τη δυνατότητα μακροπρόθεσμα να αξιοποιήσει την ηλιακή ακτινοβολία για την αντιμετώπιση της περιβαλλοντικής ρύπανσης, με ταυτόχρονη παραγωγή ενός καθαρού καυσίμου, όπως είναι το υδρογόνο. Η κατανόηση και η αντιγραφή των φυσικών συστημάτων, τα οποία η φύση έχει αναπτύξει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια, αποτελούν το «κλειδί» για την ανάπτυξη μεθόδων φιλικών και σε αρμονία με το φυσικό περιβάλλον, πράγμα που θα συμβάλλει σε μια βιώσιμη οικονομική και κοινωνική εξέλιξη της ανθρωπότητας.