PDF Basket
Förnybart vätgasbränsle har under många år figurerat vid horisonten som den ultimata rena energibäraren. Genom att använda elektricitet för att separera vätgas från vatten kan vi fånga upp den energi som produceras ojämnt av förnybara energikällor som sol och vind, och på så sätt lagra och enkelt transportera den. Därmed kan vi minska världens beroende av kol, olja och gas, och samtidigt ta itu med utmaningen med den globala uppvärmningen.
Hur uppnår vi storskalig vätgasproduktion på ett sätt som är både miljövänligt och ekonomiskt lönsamt? Att besvara denna fråga är avgörande för att nå EU:s mål om en hållbar och klimatneutral ekonomi.
Vid Uppsala universitet arbetar Gustav Berggren, koordinator för CaBiS-projektet, med en innovativ lösning: att ersätta de sällsynta metaller som krävs för de katalysatorer som används i elektrolys, till exempel platina och iridium, med en alternativ metod där naturliga biologiska processer blandas med syntetisk kemi.
Kärnan i metoden är halvsyntetiska metalloenzymer, som replikerar den process genom vilken väte produceras i levande celler. Detta område fick nyligen en skjuts framåt av 2018 års Nobelpris i kemi som tilldelades Frances Arnold för hennes arbete med att använda riktad evolution för att konstruera enzymer.
"Vi använder syntetiska kemiverktyg för att förenkla framställningen av enzymet, men också för att generera modifierade versioner av detta enzym, som vi kallar 'organometalliska mutanter'", förklarar Berggren. Denna metodik står i kontrast till andra försök som ofta innebär att man måste skapa enzymer som framställer vätgas från grunden.
Berggrens team kunde föra in funktionella artificiella metalloenzymer i bakteriernas cytoplasma – ett sällsynt exempel på hur artificiella enzymer kan fungera inuti levande celler. Dessa framsteg har påskyndat forskningstakten och öppnar nya vägar för utforskning av fotobiologiska system för vätgasproduktion. Berggren konstaterar: "Vi kan göra detta i en mycket snabbare takt än med klassiska biologiska metoder." Denna förmåga har inte bara ökat förståelsen för vätgasmetabolismen, utan har också bidragit till upptäckten av nya hydrogenaser i olika organismer.
Banbrytande tillämpningar och framtida inriktningar
Resultaten öppnar dörren för fotobiologisk vätgasproduktion, dvs. användning av fotosyntetiserande bakterier för att optimera produktionen av vätgas från solljus. "Vi använder detta kraftfulla verktyg för att optimera effektiviteten i vätgasproduktionen från celler som innehåller hydrogenaser, med fokus på att optimera själva enzymkatalysatorn och dess integration i det cellulära elektronflödet", säger Berggren.
Arbetet har dock effekter som sträcker sig bortom förnybara bränslen. Teamets genombrott inom hydrogenasteknologin har potentiella tillämpningar inom olika områden, inklusive medicinsk vetenskap.
De metoder som utvecklats i CaBiS används nu för att studera vätgasmetabolismen i människans tarm. Berggren belyser den potentiella effekten: "En förbättrad förståelse för gasmetabolismen i detta sammanhang förväntas ha en betydande inverkan på biovetenskapen och kan potentiellt möjliggöra nya former av läkemedel och medicinska behandlingar."
Trots denna lovande utveckling medger Berggren att det kommer att krävas ytterligare forskning och optimering för att omsätta genombrotten i praktiska tillämpningar. "För att dessa tekniker ska kunna slå igenom måste vi också optimera bioreaktordesignen för hög säkerhet och effektiv ljusfångst, samt för att effektivt hantera och bearbeta den vätgas som produceras", tillägger han.
CaBiS-projektet, som finansierades av Europeiska forskningsrådet, är utan tvekan ett viktigt steg framåt i strävan efter en hållbar vätgasproduktion. Genom att kombinera banbrytande syntetisk kemi med naturligt förekommande biologiska system har Berggren och hans team skapat en kraftfull plattform för framtida innovationer, som de fortsätter att förfina än i dag.