Om de CO2-uitstoot te verminderen om klimaatverandering te voorkomen, moeten nieuwe technologieën worden ontwikkeld voor de productie van duurzame en hernieuwbare biobrandstoffen. Moleculaire waterstof wordt door zijn hoge energiedichtheid en schone, koolstofvrij gebruik. Een onderzoeksgroep van de Universiteit van Turku, Finland, heeft een efficiënte manier ontdekt om zonne-energie om te zetten in de chemische energie van biowaterstof door de fotosynthese van groene algen die functioneren als celfabrieken.

Tijdens fotosynthese, groene algen gebruiken geoogste zonne-energie om water te splitsen, zuurstof in de atmosfeer afgeven en biomassa produceren die als uitstekende grondstof in de blauwe bioraffinaderij fungeert.

Groene algen zijn ook efficiënte biokatalysatoren en kunnen zonne-energie en kooldioxide direct omzetten in verschillende waardevolle verbindingen, zoals vitamines, antioxidanten, polymeren, en koolhydraten.

"Wanneer algencellen eerst onder anaërobe omstandigheden in het donker worden geïncubeerd en vervolgens worden blootgesteld aan licht, ze beginnen efficiënt waterstof te produceren, maar helaas maar voor een paar seconden, " zegt de leider van de onderzoeksgroep, Yagut Allahverdiyeva-Rinne, Universitair hoofddocent Moleculaire Plantenbiologie aan de Universiteit van Turku.

Onderzoekers geloven al tientallen jaren dat het belangrijkste obstakel voor de waterstofproductie op langere termijn in algen in licht de vernietiging van het hydrogenase-enzym is, een belangrijk element in dit proces, die wordt veroorzaakt door zuurstof.

"Omdat algen constant zuurstof afgeven tijdens hun fotosynthese die gelijktijdig plaatsvindt met de productie van waterstof, het handhaven van anaërobe omstandigheden in verlichte culturen was bijzonder lastig, " zegt senior onderzoeker Sergey Kosourov, een lid van de onderzoeksgroep.

Nieuwe en ecologisch duurzame methode om biowaterstof te produceren

De onderzoekers van de Universiteit van Turku besloten de kennis uit het basisonderzoek naar de fotosynthese van algen toe te passen en een nieuwe methode te ontwikkelen voor het produceren van waterstof die groene algen niet blootstelt aan extra voedingshonger en, dus, zonder enige significante spanning op de cellen uit te oefenen.

De onderzoekers toonden aan dat de productie van waterstof aanzienlijk kon worden verlengd door de anaërobe algenculturen eenvoudigweg bloot te stellen aan een reeks sterke maar korte lichtpulsen, die worden onderbroken door langere donkere perioden.

"Onder deze voorwaarden, algenculturen die aan zonlicht worden blootgesteld, accumuleren geen zuurstof in het medium. In aanvulling, algen sturen de elektronen die het gevolg zijn van de ontbinding van water en geladen door zonlicht in waterstofproductie in plaats van ophoping van biomassa. Het proces duurt, minstens, meerdere dagen en de maximale productie van waterstof vindt plaats gedurende de eerste acht uur, ' zegt Kosourov.

Het onderzoek gaf duidelijk aan dat een belangrijk obstakel voor efficiënte waterstofproductie niet zuurstof is, maar een sterke competitie tussen twee metabole routes:kooldioxidefixatie die leidt tot de accumulatie van biomassa en het hydrogenase-enzym dat de fotoproductie van waterstof katalyseert.

"De studie opent nieuwe mogelijkheden voor de bouw van efficiënte levende celfabrieken voor de productie van biobrandstoffen en verschillende chemicaliën direct uit zonlicht, kooldioxide en water. Het onderzoek levert belangrijke informatie op over het voorkomen van 'verspilling' van door zonne-energie aangedreven energie bij de productie van biomassa en hoe deze energie direct kan worden ingezet voor de productie van bruikbare bioproducten, " zegt Allahverdiyeva-Rinne.

De door de onderzoekers ontwikkelde nieuwe methode is waardevol zowel voor het basisonderzoek van de fotosynthese van algen als voor het onderzoeks- en ontwikkelingswerk van de industriële sector bij het produceren van nieuwe technologieën voor de grootschalige productie van CO2-neutrale biobrandstoffen.