Gabungan ASU, Tel Aviv Univ. proyek untuk meningkatkan Produksi Hidrogen Alga ke skala Industri

National Science Foundation telah memberikan hibah $ 400.000 (Nº 1706960 ) kepada Arizona State University dan Kevin Redding, profesor di Sekolah Ilmu Molekuler dan direktur Pusat Bioenergi dan Fotosintesis (CB&P) untuk mendapatkan produksi hidrogen alga skala industri — a tujuan yang membutuhkan peningkatan dari teknologi saat ini setidaknya lima kali lipat.

Hibah NSF adalah bagian dari pekerjaan pendanaan US-Israel Binational Science Foundation (BSF). Proyek BSF menyatukan ilmuwan AS dan ilmuwan Israel untuk membentuk proyek bersama. Mitra AS mengajukan hibah pada proyek bersama ke NSF, dan mitra Israel menyerahkan hibah yang sama ke ISF (Israel Science Foundation).

Kedua lembaga harus setuju mendanai proyek untuk mendapatkan dana BSF. Prof. Iftach Yacoby dari Universitas Tel Aviv. Mitra Redding dalam proyek BSF, adalah seorang ilmuwan muda yang pertama kali memulai di TAU sekitar 5 tahun yang lalu dan telah berfokus pada berbagai cara untuk meningkatkan produksi biohidrogen alga.

Dua tantangan utama membatasi efisien biologis H 2 produksi: inaktivasi enzim hydrogenase oleh O 2 ; dan aliran elektron terbatas dari peralatan fotosintesis ke hidrogenase.

Untuk mengatasi tantangan pertama, hipotesis bahwa enzim dapat dilindungi oleh lingkungan mikro-oksik lokal yang dibuat oleh terdekat O 2 serapan mekanisme. Beberapa cara yang saling melengkapi untuk mengurangi O 2 di sekitar hydrogenase yang akan ditempuh termasuk penggunaan protein chimeric di mana hydrogenase yang bergabung dengan protein mitra mampu mengurangi O 2 spesies atau oksigen reaktif (misalnya glukosa oksidase, protein flavodiiron). Chimera ini pertama-tama akan diuji secara in vitro dan kemudian yang paling menjanjikan akan diekspresikan secara in vivo.

Tes molekuler dan spektroskopi yang cepat akan digunakan untuk mengidentifikasi keterbatasan produksi hidrogen yang digerakkan cahaya pada strain yang direkayasa. Beberapa modifikasi genetik akan digunakan untuk memperbaiki keterbatasan yang diidentifikasi dalam aliran elektron atau H 2 kegiatan produksi.

Seperangkat keahlian pelengkap dalam dua kelompok penelitian di AS dan Israel akan digunakan dalam pembuatan, analisis, dan optimalisasi sel alga yang direkayasa. Bersama-sama kedua kelompok akan menentukan cara optimal untuk mengatur berbagai komponen baru untuk membuat produksi bio-hidrogen tingkat tinggi yang berkelanjutan menjadi kenyataan.

Saya tidak memandang hidrogen sebagai bahan bakar, tetapi sebagai komoditas penting yang kita konsumsi dengan kecepatan lebih dari 20 juta metrik ton per tahun — dan yang sekarang kita buat dengan reformasi uap bahan bakar fosil, sebuah proses yang intensif energi dan menghasilkan karbon dioksida. Jika kita dapat mengganti bahkan sebagian dari itu dengan biohidrogen alga yang dibuat melalui cahaya dan air, itu akan memiliki dampak yang besar. Namun, keadaan ladang biohidrogen bahkan tidak dekat dengan yang dibutuhkan agar dapat layak secara komersial.

Kami berpikir bahwa beberapa pendekatan yang sangat berbeda perlu diambil – dengan demikian, ide gila kami untuk menghubungkan enzim hidrogenase langsung ke Fotosistem I untuk mengalihkan sebagian besar elektron dari pemisahan air (oleh Fotosistem II) untuk membuat molekul hidrogen.

—Kevin Redding

Tumbuhan dan alga, serta cyanobacteria, menggunakan fotosintesis untuk menghasilkan oksigen dan “bahan bakar”, yang terakhir adalah zat yang dapat teroksidasi seperti karbohidrat dan hidrogen. Ada dua kompleks pigmen-protein yang mengatur reaksi utama cahaya dalam fotosintesis oksigen: Fotosistem I (PSI) dan Fotosistem II (PSII).

Rekomendasi artikel lain yang mungkin anda suka : Rental mobil lepas kunci di Jakarta.

Alga (dalam hal ini ganggang hijau bersel tunggal Chlamydomonas reinhardtii , atau disingkat ‘Chlamy’) memiliki enzim yang disebut hidrogenase yang menggunakan elektron yang didapatnya dari protein ferredoxin, yang digunakan untuk mengangkut elektron dari PSI ke berbagai tujuan. Alga hidrogenase dengan cepat dan permanen dinonaktifkan oleh oksigen yang secara konstan diproduksi oleh PSII. Diharapkan bahwa menghubungkan hidrogenase secara langsung ke PSI akan mengurangi masalah, termasuk fakta bahwa hidrogenase bersaing dengan buruk untuk elektron dan tidak diaktifkan oleh oksigen.

Dalam sistem komersial masa depan, seseorang akan ingin dapat menumbuhkan sel secara normal pada awalnya, dan kemudian mengubahnya ke mode di mana sebagian besar elektron dialihkan untuk membuat hidrogen – pada dasarnya menyeberang dari sistem replikasi murah ke ” biofactory ”di mana sinar matahari mendorong produksi hidrogen menggunakan air. Sistem yang diusulkan memberikan cara yang jelas untuk melakukannya dengan mengaktifkan gen yang mengkode protein PSI-hidrogenase yang terkait. Akibatnya, elektron akan dialihkan dari fiksasi karbon dioksida ke produksi hidrogen.

Iftach mengambil pendekatan yang sangat berbeda untuk masalah ini, yang saya lihat tidak ada orang lain yang melakukannya. Beberapa karyanya agak kontroversial, tapi menurut saya kesimpulan dasarnya masuk akal. Kami telah berbicara satu sama lain selama beberapa tahun, tetapi baru-baru ini kami menyadari bahwa pendekatan dan keterampilan kami sangat saling melengkapi. Ini adalah kemitraan alami. Kami sedang mengerjakan dua naskah gabungan pertama kami!

—Kevin Redding

Redding juga bermitra dengan Institut Global Keberlanjutan ASU untuk mengembangkan modul dalam Akademi Guru Keberlanjutan Regional Wells Fargo mereka. Mereka bekerja dengan Molly Cashion dan Robert McGehee, Koordinator Program Akademi.

Tim akan mengembangkan modul penyaringan alga dengan metode overlay agar. Mereka akan melatih guru sekolah menengah dan atas setempat bagaimana melakukan ini di Akademi. Mereka hanya memerlukan oven microwave dan penangas air untuk melakukan pengujian, dan siswa mereka akan membangun iluminator dari kotak karton menggunakan strip LED dan baterai AA. Relawan mahasiswa sarjana akan membawa materi lain ke ruang kelas dan membantu guru sesuai kebutuhan. Alga ditanam di atas piring, ditutup dengan agar-agar yang dicampur dengan Rhodobacter , dan dibiarkan berkembang semalaman.

Para siswa dapat memotret mereka keesokan harinya dengan kamera ponsel mereka sendiri menggunakan filter interferensi hijau kecil yang disediakan oleh hibah. Mereka kemudian dapat menarik kesimpulan sendiri tentang galur penghasil hidrogen terbaik. Rencana ini didasarkan pada konsep-konsep dari konsep pengajaran sains generasi mendatang, di mana pembelajaran didorong oleh keingintahuan siswa itu sendiri.

Mereka hanya akan diberi penjelasan sepintas lalu, tetapi saat percobaan berlangsung, para ilmuwan akan menjawab pertanyaan mereka tentang bagaimana segala sesuatunya bekerja. Para siswa akan didorong untuk bereksperimen dengan kondisi yang berbeda untuk menemukan strain alga terbaik dan bagaimana membujuk mereka.

Studi NREL berfokus pada Peningkatan Penggunaan dan Dampak Layanan Pemesanan Kendaraan di Bandara

Baik perjalanan udara maupun penggunaan layanan ride-hailing seperti Uber dan Lyft sedang meningkat di kota-kota di seluruh dunia. Permintaan global untuk perjalanan udara diperkirakan akan meningkat dua kali lipat pada tahun 2035, dan investasi infrastruktur bandara baru serta peningkatan modernisasi — menelan biaya puluhan miliar dolar — diantisipasi.

Dalam studi baru, peneliti NREL berfokus pada aspek observasi kunci dari mode baru dan tingkat pergeseran pola mobilitas di seluruh bandara di wilayah San Francisco, Portland, Denver, dan Kansas City — semua finalis US DOT Smart City Challenge.

Untuk pertama kalinya dalam beberapa tahun, atau bahkan puluhan tahun, transportasi penumpang dan sistem penerbangan berada di garis depan inovasi dalam menggerakkan lebih banyak orang dengan lebih cepat, lebih murah, dan lebih baik — sebagian didorong oleh kenyamanan yang lebih besar dan pilihan yang lebih banyak, antara lain. Kami dapat mengamati dan melacak transisi ini melalui pergeseran aliran pendapatan di bandara, yang berimplikasi pada masa depan layanan ride-hailing, parkir, dan persewaan mobil di kota, serta infrastruktur fisik yang mendukung setiap sektor.

Data pendapatan yang terkait dengan pusat transportasi utama, seperti bandara, menandakan perubahan penting dalam penerapan opsi mobilitas baru, seperti naik kendaraan ke dan dari bandara, dibandingkan dengan menggunakan kendaraan pribadi. Meningkatnya penggunaan layanan ride-hailing memiliki implikasi besar bagi transportasi, penggunaan energi, pendapatan, dan infrastruktur di masa depan.

—Josh Sperling, rekan penulis NREL

Penggunaan perusahaan jasa ride-hailing, juga disebut sebagai perusahaan jaringan transportasi (TNCs), terus tumbuh — mencakup hingga 18% dari seluruh angkutan darat penumpang ke dan dari bandara.

Studi NREL berfokus pada peningkatan penggunaan dan dampak layanan pemesanan kendaraan di bandara
Persentase penumpang yang menggunakan layanan ride-hailing saat bepergian ke dan dari empat bandara utama AS (San Francisco, Denver, Portland, dan Kansas City) bersama dengan garis tren rata-rata yang menunjukkan peningkatan yang stabil dari waktu ke waktu dalam persentase penumpang yang menggunakan ride- memanggil layanan setelah layanan tersebut tersedia. Garis tren menunjukkan bahwa pada sekitar 13 bulan, persentasenya sekitar 2% dengan pertumbuhan menjadi sekitar 6% dalam dua tahun ke depan.

Selain itu, kebutuhan parkir bandara tidak lagi secara langsung mencerminkan pertumbuhan jumlah penumpang bandara. Sebaliknya, pendapatan parkir per penumpang mencapai puncaknya sekitar 12 hingga 24 bulan setelah pengenalan TNC, dan terus menurun setelahnya. Penemuan awal dari empat bandara yang dipertimbangkan dalam studi tersebut menunjukkan kisaran tingkat penurunan tahunan dari 3% hingga 7%.

Melanjutkan tren ini berarti bahwa permintaan parkir bandara dapat berkurang setengahnya dalam waktu sekitar 14 tahun. Meskipun hal ini dapat dilihat sebagai basis pendapatan yang menurun, hal ini juga dapat memungkinkan pertumbuhan bandara tanpa tambahan investasi infrastruktur parkir, membebaskan properti bandara untuk penggunaan lain. Hal ini juga memungkinkan aliran pendapatan baru — bandara yang menerapkan biaya TNC untuk penjemputan dan pengantaran naik kendaraan mengalami peningkatan, dengan Denver dan San Francisco menghasilkan lebih dari $ 600.000 hingga $ 2 juta per bulan dalam pendapatan biaya layanan baru.

—Alejandro Henao, NREL postdoc

Tren yang diamati dari data bandara memberikan gambaran awal tentang adopsi cepat layanan mobilitas baru. Arus pendapatan bandara menjelaskan peralihan moda transportasi di daerah perkotaan dan memberikan wawasan tentang permintaan infrastruktur parkir di masa depan.

Artikel lain yang mungkin anda suka : Rental mobil Jakarta Lepas Kunci.

Total pendapatan parkir telah mencapai puncaknya, dan pertumbuhan permintaan parkir tidak mengikuti pertumbuhan perjalanan udara, dengan ride-hailing menjadi kontributor utama pergeseran tersebut. Akibatnya, permintaan trotoar, bukan permintaan parkir, menjadi faktor yang mengakomodasi peningkatan perjalanan udara.

Para peneliti NREL mempresentasikan studi tersebut pada Pertemuan Tahunan Intelligent Transportation Society of America 2018 di Detroit.

Sumber daya

  • Alejandro Henao, Josh Sperling, Venu Garikapati, Yi Hou, dan Stan Young (2018) ” Analisis Bandara Menginformasikan Pergeseran Mobilitas Baru: Peluang untuk Mengadaptasi Layanan dan Infrastruktur Mobilitas Hemat Energi “

Peneliti Tenggunakan Pasangan Pelarut Multifungsi untuk Mengungkap Prinsip Molekuler Penguraian Biomassa untuk Konversi ke Bahan Bakar Transportasi

Dinding sel tumbuhan menahan degradasi kimiawi atau biologis, membuat pemecahan biomassa lignoselulosa menjadi prekursor kimiawi terbarukan untuk diubah menjadi bahan bakar kimia dan transportasi menjadi tantangan dan mahal. Akibatnya, metode yang layak secara ekonomi untuk mengubah biomassa menjadi bahan bakar nabati belum direalisasikan.

Sebagai langkah maju dalam memahami bagaimana biomassa tanaman dapat diuraikan dengan lebih efisien, tim peneliti yang dipimpin oleh University of California, Riverside, telah membuat peta jalan kimiawi untuk menembus pertahanan ini. Makalah tentang pekerjaan mereka diterbitkan dalam Journal of the American Chemical Society .

Untuk mengakses gula kaya energi yang ditemukan di dinding sel tumbuhan, para peneliti telah memperbarui fokus pada pemecahan lignin, polimer kompleks yang juga ditemukan di dinding sel tumbuhan yang bertindak sebagai perisai alami, menghalangi serangan kimia dan biologis. Lignin sangat efektif dalam mencegah enzim komersial mencerna selulosa, yang merupakan sebagian besar gula yang ditemukan dalam biomassa.

Di masa lalu, bahan kimia khusus dan metode perlakuan awal yang berbeda telah digunakan untuk meningkatkan akses enzim ke selulosa tetapi tidak efektif dalam menghilangkan lignin. Penggunaan asam kuat, cairan ionik, amonia, dan perawatan sulfit agak meningkatkan daya cerna selulosa, tetapi metode ini juga meninggalkan lignin, membuat selulosa mahal untuk dipulihkan. Metode lain telah menerapkan pelarut bersama seperti pelarut etanol dan aseton untuk menghilangkan lignin, tetapi metode tersebut memerlukan suhu reaksi yang sangat tinggi yang juga menyebabkan gula yang tersisa terdegradasi.

Charles Cai, asisten insinyur penelitian di Pusat Penelitian dan Teknologi Lingkungan di Fakultas Teknik Marlan dan Rosemary Bourns di UC Riverside, dan Abhishek S. Patri, seorang mahasiswa doktoral di bidang teknik kimia dan lingkungan, memimpin tim peneliti yang mengambil arah baru untuk fokus pada identifikasi pelarut bersama yang sangat terspesialisasi, zat yang ditambahkan ke pelarut primer agar lebih efektif, yang dapat memfasilitasi pelarutan suhu yang lebih ringan dan pelepasan lignin dari dinding sel tanaman. Ini dikenal sebagai pendekatan “lignin-first” untuk mengurai biomassa.

Tim membangun simulasi molekul 1,5 juta atom untuk mengungkapkan bagaimana pasangan pelarut bersama yang terdiri dari tetrahidrofuran (THF), dan air sangat efektif dalam mengubah interaksi antara lignin dan selulosa, membantu mendorong beberapa mekanisme utama yang bertanggung jawab untuk memecah. biomassa.

Peneliti menggunakan pasangan pelarut multifungsi untuk mengungkap prinsip molekuler penguraian biomassa untuk konversi ke bahan bakar transportasi
Co-pelarut THF dan air menyebabkan lignin terdisosiasi dari dirinya sendiri dan selulosa, berkembang menjadi kumparan acak. (Charles Cai / UCR)

Mereka menemukan bahwa perlakuan awal biomassa tanaman dengan THF-air menyebabkan gumpalan lignin pada permukaan selulosa mengembang dan memisahkan diri satu sama lain dan menjauh dari serat selulosa. Lignin yang mengembang juga lebih terpapar pada fragmentasi katalitik dengan asam encer. Akibatnya, lignin dapat didepolimerisasi, dilarutkan, dan diangkut keluar dinding sel dengan lebih efisien pada kondisi perawatan yang lebih ringan.

Penghapusan lignin yang hampir sempurna juga memungkinkan serat selulosa yang tersisa menjadi lebih rentan terhadap serangan enzim. Setelah perawatan pelarut bersama THF ringan, enzim yang ditambahkan ke padatan kaya selulosa yang tersisa mencapai hidrolisis lengkap menjadi gula glukosa.

Pada skala massal, perlakuan awal asam encer dari biomassa dalam campuran co-solvent membebaskan hemiselulosa dan lignin terdepolimerisasi dari selulosa, memungkinkan akses tak terbatas dari enzim selulolitik yang mempertahankan laju hidrolisis selulosa menjadi glukosa tanpa deaktivasi enzim.

Melalui analisis multi-skala ini, mekanisme sinergis dapat diidentifikasi untuk pelarut bersama multifungsi lainnya yang menunjukkan pergeseran paradigma menuju desain prinsip pertama metode dekonstruksi biomassa di masa depan untuk mewujudkan bahan bakar dengan biaya lebih rendah.

—Patri et al.

Sumber daya

  • Abhishek S. Patri, Barmak Mostofian, Yunqiao Pu, Nicholas Ciaffone, Mikhael Soliman, Micholas Dean Smith, Rajeev Kumar, Xiaolin Cheng, Charles E. Wyman, Laurene Tetard, Arthur J. Ragauskas, Jeremy C. Smith, Loukas Petridis, Charles M . Cai (2019) “Pasangan Kosolvent Multifungsi Mengungkapkan Prinsip Molekuler Dekonstruksi Biomassa” J. Am. Chem. Soc. doi: 10.1021 / jacs.8b10242
Buka Diskusi
💬 Jangan sungkan untuk bertanya ya kak?
Hello kak, Ada yang bisa kami bantu tentang hidrogen ini?
Deny Siregar
Aty Maulani