ไบโอไฮโดรเจนคือH2ที่ผลิตขึ้นทางชีวภาพ^{[ 1 ]} เทคโนโลยีนี้ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจาก H2 _{เป็นเชื้อเพลิง}สะอาดและสามารถผลิตได้ง่ายจากชีวมวล บางชนิด [ ^{2 ]}รวมถึงของเสียทางชีวภาพ^{[ 3 ]} นอกจากนี้ จุลินทรีย์ สังเคราะห์แสงบางชนิดยังสามารถผลิต H2 ได้_{โดยตรง}^จาก การแยกน้ำโดยใช้แสงเป็นแหล่งพลังงาน^{[ 4 ] [ 5 ]}

นอกเหนือจากความเป็นไปได้ที่น่าสนใจของการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพแล้ว เทคโนโลยีนี้ยังมีความท้าทายหลายประการ ความท้าทายประการแรก ได้แก่ ความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับไฮโดรเจนโดยตรง_เช่นการจัดเก็บและการขนส่ง ก๊าซที่ไม่ควบแน่น และระเบิดได้นอกจากนี้ จุลินทรีย์ที่ผลิตไฮโดรเจนยังถูกทำลายโดย_{ออกซิเจน}และผลผลิตไฮโดรเจน_มักจะต่ำ

ปฏิกิริยาหลักที่ขับเคลื่อนการสร้างไฮโดรเจนเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันของสารตั้งต้นเพื่อให้ได้อิเล็กตรอน จากนั้นอิเล็กตรอนเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนไปยังโปรตอน อิสระ เพื่อสร้างไฮโดรเจนโมเลกุล ปฏิกิริยาลดโปรตอนนี้โดยปกติจะดำเนินการโดยเอนไซม์ในกลุ่มที่เรียกว่าไฮโดรจีเนส

^{ในสิ่งมี ชีวิต}เฮเทอโรโทรฟิก อิเล็กตรอนจะถูกผลิตขึ้นระหว่างการหมักน้ำตาล ก๊าซ ไฮโดรเจนถูกผลิตขึ้นในการหมักหลายประเภทเพื่อสร้าง NAD ⁺ ขึ้นใหม่ จากNADH [ ^{6 ]}อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังเฟอร์เรดอกซินหรือสามารถรับได้โดยตรงจาก NADH โดย ไฮโดรจีเนสทำให้เกิด H2 _{เนื่องจาก}เหตุนี้ ปฏิกิริยาส่วนใหญ่จึงเริ่มต้นด้วยกลูโคสซึ่งจะถูกแปลงเป็นกรดอะซิติก^{[ 7 ]}

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 CO2 + 4 H2}}}$

ปฏิกิริยาที่เกี่ยวข้องจะให้ฟอร์เมตแทนที่จะเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ :

${\displaystyle {\ce {C6H12O6 + 2 H2O -> 2 CH3COOH + 2 HCOOH + 2 H2}}}$

ปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน 216 และ 209 กิโลแคลอรีต่อโมล ตามลำดับ

มีการประมาณการว่า 99% ของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดใช้หรือผลิตไดไฮโดรเจน (H₂ ₎สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นจุลินทรีย์ และความสามารถในการใช้หรือผลิต H₂ _ในฐานะเมตาบอไลต์เกิดจากการแสดงออกของเอนไซม์โลหะ_H₂ ที่รู้จักกันในชื่อไฮโดรจีเนส^{[ 8 ]}เอนไซม์ในกลุ่มที่มีความหลากหลายนี้มักถูกจำแนกย่อยออกเป็น 3 ประเภทที่แตกต่างกันตามปริมาณโลหะในบริเวณออกฤทธิ์ ได้แก่ ไฮโดรจีเนส [FeFe] (เหล็ก-เหล็ก), ไฮโดรจีเนส [NiFe] (นิกเกิล-เหล็ก) และไฮโดรจีเนส [Fe] (เหล็กอย่างเดียว) ^{[ 9 ]}สิ่งมีชีวิตหลายชนิดแสดงออกถึงเอนไซม์เหล่านี้ ตัวอย่างที่โดดเด่น ได้แก่ สมาชิกของสกุลClostridium , Desulfovibrio , Ralstoniaหรือเชื้อก่อโรคHelicobacterซึ่งส่วนใหญ่เป็นจุลินทรีย์ที่ไม่ใช้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัดหรือจุลินทรีย์ที่สามารถอยู่ได้ทั้งใน สภาวะที่มีและไม่มีออกซิเจน จุลินทรีย์อื่นๆ เช่นสาหร่ายสีเขียว ก็สร้างเอนไซม์ไฮโดรจีเนสที่มีฤทธิ์สูงเช่น กันดังเช่นในกรณีของสมาชิกในสกุลChlamydomonas

เนื่องจากความหลากหลายอย่างมากของเอนไซม์ไฮโดรจีเนส ความพยายามอย่างต่อเนื่องจึงมุ่งเน้นไปที่การคัดกรองเอนไซม์ใหม่ที่มีคุณสมบัติที่ดีขึ้น^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]}รวมถึงการดัดแปลงไฮโดรจีเนสที่ได้รับการกำหนดลักษณะไว้แล้วเพื่อให้มีคุณสมบัติที่พึงประสงค์มากขึ้น^{[ 13 ]}

การผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพด้วยสาหร่ายเป็นวิธีการแยกน้ำด้วย แสงชีวภาพ ซึ่งทำในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบปิด โดยอาศัยการผลิตไฮโดรเจนเป็นเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์โดยสาหร่าย^{[ 14 ] [ 15 ]}สาหร่ายผลิตไฮโดรเจนภายใต้เงื่อนไขบางประการ ในปี 2000 มีการค้นพบว่าหาก สาหร่าย C. reinhardtiiขาดกำมะถันพวกมันจะเปลี่ยนจากการผลิตออกซิเจนเช่นเดียวกับการสังเคราะห์แสง ปกติ ไปเป็นการผลิตไฮโดรเจน^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]}

สาหร่ายสีเขียวสร้างไฮโดรจีเนส [FeFe] ซึ่งบางชนิดถือว่าเป็นไฮโดรจีเนสที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด โดยมีอัตราการหมุนเวียนสูงกว่า 10 ⁴ s ⁻¹ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาที่น่าทึ่งนี้กลับถูกบดบังด้วยความไวต่อออกซิเจนอย่างมาก โดยจะถูกทำลายอย่างถาวรโดย O _{2 [} ^{13 ] เมื่อ}เซลล์ขาดกำมะถันการวิวัฒนาการของออกซิเจนจะหยุดลงเนื่องจากความเสียหายจากแสงของโฟโตซิสเต็ม IIในสภาวะนี้ เซลล์จะเริ่มบริโภค O ₂และสร้างสภาพแวดล้อมแบบไร้ออกซิเจนที่เหมาะสมสำหรับไฮโดรจีเนส [FeFe] ดั้งเดิมในการเร่งปฏิกิริยาการผลิต H ₂

เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพที่ใช้เซลล์สาหร่ายซึ่งสามารถผลิตไฮโดรเจนได้^{[ 19 ]}

การสังเคราะห์แสงในไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายสีเขียวจะแยกน้ำออกเป็นไอออนไฮโดรเจนและอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนจะถูกขนส่งผ่านเฟอร์เรดอกซิน [ ^{20 ] เอนไซม์} Fe-Fe-ไฮโดรจีเนสจะรวมอิเล็กตรอนเหล่านั้นเข้าด้วยกันเป็นก๊าซไฮโดรเจน ในChlamydomonas reinhardtii ระบบสังเคราะห์แสง IIผลิตอิเล็กตรอนได้ 80% จากการแปลงแสงอาทิตย์โดยตรง ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านั้นจะกลายเป็นก๊าซไฮโดรเจน^{[ 21 ]}

ในปี 2020 นักวิทยาศาสตร์รายงานการพัฒนาไมโครอิมัลชันที่ใช้เซลล์สาหร่ายสำหรับเครื่องปฏิกรณ์จุลินทรีย์ทรงกลม หลายเซลล์ ที่สามารถผลิตไฮโดรเจนควบคู่ไปกับออกซิเจนหรือ CO2 _ผ่านการสังเคราะห์แสงในเวลากลางวันภายใต้อากาศ การห่อหุ้มไมโครรีแอคเตอร์ด้วยแบคทีเรียที่ทำงานร่วมกันแสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มระดับการผลิตไฮโดรเจนผ่านการลดความเข้มข้น ของ _O2 ^{[ 22 ] [ 19 ]}

ขนาดของเสาอากาศ คลอโรฟิลล์ (Chl) ในสาหร่ายสีเขียวจะถูกทำให้เล็กที่สุดหรือตัดให้สั้นลง เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ทางชีวภาพและการผลิต H2 ให้สูงสุด_มีการแสดงให้เห็นว่าโปรตีนเก็บเกี่ยวแสง LHCBM9 ของระบบ แสงคอมเพล็กซ์เก็บเกี่ยวแสง II ส่งเสริมการกระจายพลังงานแสงอย่างมีประสิทธิภาพ ^{[ 23 ]}ขนาดของเสาอากาศ Chl ที่ถูกตัดให้สั้นลงจะช่วยลดการดูดซับและการกระจายแสงอาทิตย์ที่สูญเปล่าโดยเซลล์แต่ละเซลล์ ส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้แสงดีขึ้นและประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงสูงขึ้นเมื่อสาหร่ายสีเขียวถูกเพาะเลี้ยงในปริมาณมากในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพ^{[ 24 ]}

จากรายงานปัจจุบันเกี่ยวกับไบโอไฮโดรเจนจากสาหร่าย ต้องใช้พื้นที่เพาะปลูกสาหร่ายประมาณ 25,000 ตารางกิโลเมตร (9,700 ตารางไมล์) เพื่อผลิตไบโอไฮโดรเจนที่เทียบเท่ากับพลังงานที่ได้จากน้ำมันเบนซินในสหรัฐอเมริกาเพียงประเทศเดียว พื้นที่นี้คิดเป็นประมาณ 10% ของพื้นที่ที่ใช้ในการปลูกถั่วเหลืองในสหรัฐอเมริกา^{[ 25 ]}

• การจำกัดการผลิตไฮโดรเจนจากการสังเคราะห์แสงเนื่องจากการสะสมของความแตกต่างของความเข้มข้นของโปรตอน
• การยับยั้งการผลิตไฮโดรเจนด้วยกระบวนการสังเคราะห์แสงโดยคาร์บอนไดออกไซด์แบบแข่งขันกัน
• จำเป็นต้องมีการจับตัวของไบคาร์บอเนตที่โฟโตซิสเต็ม II (PSII) เพื่อให้กระบวนการสังเคราะห์แสงมีประสิทธิภาพ
• การแย่งชิงอิเล็กตรอนโดยออกซิเจนในกระบวนการผลิตไฮโดรเจนของสาหร่าย
• เศรษฐศาสตร์ต้องทำให้ราคาสามารถแข่งขันได้กับแหล่งพลังงานอื่นๆ และเศรษฐศาสตร์นั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ
• อุปสรรคทางเทคนิคที่สำคัญประการหนึ่งคือประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานเคมีที่เก็บไว้ในไฮโดรเจนโมเลกุล

ขณะนี้กำลังมีความพยายามแก้ไขปัญหาเหล่านี้โดยใช้เทคโนโลยีวิศวกรรมชีวภาพ

การผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพยังพบได้ในไซยาโนแบคทีเรีย ที่ตรึงไนโตรเจน จุลินทรีย์เหล่านี้สามารถเจริญเติบโตโดยการสร้างเส้นใย ภายใต้สภาวะที่ไนโตรเจนจำกัด เซลล์บางส่วนสามารถปรับตัวและสร้างเฮเทอโรซิสต์ซึ่งจะสร้างพื้นที่ภายในเซลล์แบบไร้ออกซิเจนเพื่ออำนวยความสะดวกในการตรึง N2 _โดยเอนไซม์ไนโตรเจ เนส ที่แสดงออกภายในเซลล์ด้วย

ภายใต้สภาวะการตรึงไนโตรเจน เอนไซม์ไนโตรเจเนสจะรับอิเล็กตรอนและใช้ ATP เพื่อทำลายพันธะไดไนโตรเจนสามตัวและลดให้เป็นแอมโมเนีย^{[ 26 ]}ในระหว่างวัฏจักรเร่งปฏิกิริยาของเอนไซม์ไนโตรเจเนส ไฮโดรเจนโมเลกุลก็ถูกผลิตขึ้นด้วย

${\displaystyle {\ce {N2 + 8 H+ + 8NAD(P)H + 16 ATP-> 2 NH3 + H2 + 16 ADP + 16 Pi + 8 NAD(P)+}}}$

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการผลิต H2 _{เป็นการ}สูญเสียพลังงานที่สำคัญสำหรับเซลล์ ไซยาโนแบคทีเรียที่ตรึงไนโตรเจนส่วนใหญ่จึงมีไฮโดรจีเนสดูดซับอย่างน้อยหนึ่งตัว^{[ 27 ]}ไฮโดรจีเนสดูดซับแสดงความเอนเอียงในการเร่งปฏิกิริยาไปทางออกซิเดชันของออกซิเจน ดังนั้นจึงสามารถดูดซับ H2 ที่ผลิตขึ้น_{เพื่อ}เป็นวิธีในการกู้คืนพลังงานบางส่วนที่ลงทุนไปในระหว่างกระบวนการตรึงไนโตรเจน

ในปี พ.ศ. 2476 มาร์จอรี สตีเฟนสันและสติ๊กแลนด์ นักศึกษาของเธอ รายงานว่าสารแขวนลอยของเซลล์สามารถเร่งปฏิกิริยารีดักชันของเมทิลีนบลูด้วย H2 _ได้หกปีต่อมาฮันส์ กัฟฟรอนสังเกตว่าสาหร่ายสีเขียวที่สังเคราะห์ แสงได้ Chlamydomonas reinhardtiiบางครั้งจะผลิตไฮโดรเจน^{[ 28 ]} ในช่วงปลายทศวรรษ พ.ศ. 2533 อนาสตาซิออส เมลิส ค้นพบว่าการขาดกำมะถันทำให้สาหร่ายเปลี่ยนจากการผลิตออกซิเจน (การสังเคราะห์แสงปกติ) ไปเป็นการผลิตไฮโดรเจน เขาพบว่าเอนไซม์ที่รับผิดชอบต่อปฏิกิริยานี้คือไฮโดรจีเนสแต่ไฮโดรจีเนสสูญเสียหน้าที่นี้ไปเมื่อมีออกซิเจน เมลิสยังค้นพบอีกว่าการลดปริมาณกำมะถันที่มีอยู่สำหรับสาหร่ายจะขัดขวางการไหลของออกซิเจนภายใน ทำให้ไฮโดรจีเนสมีสภาพแวดล้อมที่สามารถทำปฏิกิริยาได้ ส่งผลให้สาหร่ายผลิตไฮโดรเจน^{[ 29 ]} Chlamydomonas moewusiiก็เป็นสายพันธุ์ที่มีศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจนเช่นกัน^{[ 30 ] [ 31 ]}

ในการแข่งขันเพื่อผลิตไบโอไฮโดรเจน อย่างน้อยก็สำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ มีกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่พัฒนาแล้วหลายกระบวนการ การปฏิรูปไอน้ำของก๊าซธรรมชาติซึ่งบางครั้งเรียกว่าการปฏิรูปไอน้ำมีเทน (SMR) เป็นวิธีการผลิตไฮโดรเจนจำนวนมากที่พบได้บ่อยที่สุด คิดเป็นประมาณ 95% ของการผลิตทั่วโลก^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

${\displaystyle {\ce {CH4 + H2O <-> CO + 3 H2}}}$

• การเพาะเลี้ยงสาหร่าย  – การเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำที่เกี่ยวข้องกับการทำฟาร์มสาหร่าย
• การผลิตไฮโดรเจน  – การผลิตไฮโดรเจนโมเลกุลในระดับอุตสาหกรรม
• ไฮโดรจีเนส  – กลุ่มเอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันแบบผันกลับได้ของโมเลกุลไฮโดรเจน
• โฟโตไฮโดรเจน  – ไฮโดรเจนที่ผลิตโดยใช้แสง
• ลำดับเหตุการณ์ของเทคโนโลยีไฮโดรเจน

• กระทรวงพลังงาน - เอกสารชี้แจงเกี่ยวกับกระบวนการผลิตไฮโดรเจนทางชีวภาพ
• องค์การอาหารและเกษตรแห่งสหประชาชาติ (FAO)
• การเพิ่มประสิทธิภาพการใช้แสงและการผลิตไฮโดรเจนในวัฒนธรรมสาหร่ายขนาดเล็กเก็บถาวรเมื่อ 19 ตุลาคม 2013 ที่Wayback Machine
• เครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพสาหร่าย/ไฮโดรเจนแบบทำเอง ปี 2004
• การผลิตไฮโดรเจนจากสาหร่ายด้วยกระบวนการสังเคราะห์แสงแบบวงจร EERE