Mikrobiyal yakıt hücresi - Microbial fuel cell

Mikrobiyal yakıt hücresi ( MFC ), anot üzerindeki indirgenmiş bileşiklerin (yakıt veya elektron donörü olarak da bilinir) mikrobiyal oksidasyonundan üretilen elektronları oksitlenmiş bileşiklere (oksitleyici ajan olarak da bilinir) yönlendirerek elektrik akımı üreten bir tür biyoelektrokimyasal yakıt hücresi sistemidir. veya elektron alıcısı ) katot üzerinde harici bir elektrik devresi aracılığıyla . MFC'ler iki genel kategoriye ayrılabilir: aracılı ve aracısız. Erken 20 gösterilmiştir ilk MFC, inci bir aracı kullanılabilir yüzyılda: bir kimyasal olduğu anoda hücrede bakterilerden elektron transfer eder. Aracısız MFC'ler 1970'lerde ortaya çıktı; bu tip MFC'de bakteriler tipik olarak dış zarlarında elektronları doğrudan anoda aktarabilen sitokromlar gibi elektrokimyasal olarak aktif redoks proteinlerine sahiptir . 21. yılında st yüzyıl MFC'ler atıksu arıtımında ticari kullanımını bulmaya başladı.

Tarih

Elektrik üretmek için mikropları kullanma fikri yirminci yüzyılın başlarında tasarlandı. Michael Cressé Potter konuyu 1911'de başlattı. Potter, Saccharomyces cerevisiae'den elektrik üretmeyi başardı , ancak çalışma çok az yer buldu. 1931'de Barnett Cohen , seri bağlandıklarında sadece 2 miliamperlik bir akımla 35 volttan fazla üretebilen mikrobiyal yarı yakıt hücreleri yarattı .

DelDuca ve ark. bir hidrojen ve hava yakıt hücresinin anotunda reaktan olarak Clostridium butyricum tarafından glikozun fermantasyonu ile üretilen hidrojeni kullandı . Hücre çalışıyor olsa da, mikroorganizmalar tarafından hidrojen üretiminin kararsız doğası nedeniyle güvenilmezdi. Bu sorun Suzuki ve arkadaşları tarafından çözüldü. 1976'da başarılı bir MFC tasarımı üreten bir yıl sonra.

1970'lerin sonlarında, mikrobiyal yakıt hücrelerinin nasıl çalıştığı hakkında çok az şey anlaşıldı. Kavram Robin M. Allen ve daha sonra H. Peter Bennetto tarafından incelenmiştir. İnsanlar yakıt hücresini gelişmekte olan ülkeler için elektrik üretimi için olası bir yöntem olarak gördüler. Bennetto'nun 1980'lerin başında başlayan çalışması, yakıt hücrelerinin nasıl çalıştığına dair bir anlayış oluşturmaya yardımcı oldu ve birçok kişi tarafından konunun en önde gelen otoritesi olarak görüldü.

Mayıs 2007'de, Avustralya , Queensland Üniversitesi, Foster's Brewing ile ortak bir çaba olarak bir prototip MFC'yi tamamladı . 10 L tasarımlı prototip, bira atık sularını karbondioksit, temiz su ve elektriğe dönüştürdü. Grubun yaklaşmakta olan bir uluslararası biyo-enerji konferansı için pilot ölçekli bir model oluşturma planları vardı.

Tanım

Mikrobiyal bir yakıt hücresi (MFC) bir cihazdır dönüştüren kimyasal enerjiyi için elektrik enerjisi hareketiyle mikroorganizma . Bu elektrokimyasal hücreler, bir biyoanot ve/veya bir biyokatot kullanılarak oluşturulur. Çoğu MFC, anot (oksidasyonun gerçekleştiği yer) ve katodun (indirgemenin gerçekleştiği yer) bölümlerini ayırmak için bir zar içerir. Oksidasyon sırasında üretilen elektronlar, doğrudan bir elektrota veya bir redoks aracı türüne aktarılır . Elektron akısı katoda taşınır. Sistemin yük dengesi, hücre içindeki iyonik hareketle, genellikle iyonik bir zar boyunca korunur. Çoğu MFC , CO 2 , protonlar ve elektronlar üretmek için oksitlenen organik bir elektron donörü kullanır . Sülfür bileşikleri veya hidrojen gibi başka elektron donörleri de bildirilmiştir. Katot reaksiyonu, çoğunlukla oksijen (O 2 ) olmak üzere çeşitli elektron alıcıları kullanır . İncelenen diğer elektron alıcıları, indirgeme yoluyla metal geri kazanımı, sudan hidrojene, nitrat indirgemesi ve sülfat indirgemesini içerir.

Uygulamalar

Güç üretimi

MFC'ler, yalnızca düşük güç gerektiren, ancak kablosuz sensör ağları gibi pillerin değiştirilmesinin pratik olmadığı durumlarda güç üretimi uygulamaları için çekicidir. Mikrobiyal yakıt hücreleriyle çalışan kablosuz sensörler daha sonra örneğin uzaktan izleme (koruma) için kullanılabilir .

Atıksu arıtma tesislerine bağlanma hücreleri de dahil olmak üzere, yakıt hücresini beslemek için hemen hemen her organik malzeme kullanılabilir . Kimyasal proses atıksuları ve sentetik atıksu, çift ve tek odacıklı aracısız MFC'lerde (kaplanmamış grafit elektrotlar) biyoelektrik üretmek için kullanılmıştır.

Biyofilm kaplı bir grafit anot ile daha yüksek güç üretimi gözlemlendi . Yakıt hücresi emisyonları düzenleyici sınırların oldukça altındadır. MFC'ler, enerjiyi , Carnot verimliliği ile sınırlı olan standart içten yanmalı motorlardan daha verimli bir şekilde dönüştürür . Teoride, bir MFC %50'nin çok üzerinde enerji verimliliği sağlayabilir. Rozendal, geleneksel hidrojen üretim teknolojilerinin 8 katı enerji dönüşümü elde etti.

Ancak, MFC'ler daha küçük ölçekte de çalışabilir. Bazı durumlarda elektrotların yalnızca 7 μm kalınlığında ve 2 cm uzunluğunda olması gerekir, böylece bir MFC pilin yerini alabilir. Yenilenebilir bir enerji formu sağlar ve yeniden şarj edilmesi gerekmez.

MFC'ler, 20 °C ila 40 °C gibi ılıman koşullarda ve ayrıca yaklaşık 7 pH'da iyi çalışırlar . Kalp pilleri gibi uzun süreli tıbbi uygulamalar için gereken stabiliteden yoksundurlar .

Elektrik santralleri, algler gibi su bitkilerini temel alabilir. MFC sistemi, mevcut bir güç sisteminin yanına yerleştirilirse elektrik hatlarını paylaşabilir.

Eğitim

Toprak bazlı mikrobiyal yakıt hücreleri, birden fazla bilimsel disiplini (mikrobiyoloji, jeokimya, elektrik mühendisliği vb.) kapsadıklarından ve toprak ve buzdolabından alınan maddeler gibi yaygın olarak bulunan malzemeler kullanılarak yapılabildiklerinden eğitim araçları olarak hizmet eder. Evde bilim projeleri ve sınıflar için kitler mevcuttur. Sınıfta kullanılan mikrobiyal yakıt hücrelerinin bir örneği, Thomas Jefferson Fen ve Teknoloji Lisesi için IBET (Entegre Biyoloji, İngilizce ve Teknoloji) müfredatında yer almaktadır . Uluslararası Mikrobiyal Elektrokimya ve Teknoloji Derneği'nde (ISMET Derneği) çeşitli eğitim videoları ve makaleler de mevcuttur "".

biyosensör

Ana madde: Biyosensör

Mikrobiyal bir yakıt hücresinden üretilen akım, yakıt olarak kullanılan atık suyun organik madde içeriği ile doğru orantılıdır. MFC'ler atık suyun çözünen konsantrasyonunu ölçebilir (yani bir biyosensör olarak ).

Atık su genellikle biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) değerleri için değerlendirilir. BOİ değerleri, uygun mikrop kaynağı, genellikle atık su tesislerinden toplanan aktif çamur ile 5 gün boyunca numunelerin inkübe edilmesiyle belirlenir.

Bir MFC tipi BOD sensörü, gerçek zamanlı BOD değerleri sağlayabilir. Oksijen ve nitrat, anot üzerinde tercih edilen elektron alıcılarına müdahale ederek, bir MFC'den akım üretimini azaltır. MFC BOİ sensörleri, bu elektron alıcılarının varlığında BOİ değerlerini hafife alır. Bu, siyanür ve azid gibi terminal oksidaz inhibitörleri kullanılarak MFC'de aerobik ve nitrat solunumunun engellenmesiyle önlenebilir . Bu tür BOD sensörleri ticari olarak mevcuttur.

Amerika Birleşik Devletleri Deniz Kuvvetleri çevresel sensörler için mikrobiyal yakıt hücreleri düşünüyor. Çevresel sensörlere güç sağlamak için mikrobiyal yakıt hücrelerinin kullanılması, daha uzun süreler için güç sağlayabilir ve kablolu bir altyapı olmadan denizaltı verilerinin toplanmasını ve alınmasını sağlayabilir. Bu yakıt hücreleri tarafından oluşturulan enerji, ilk çalıştırma süresinden sonra sensörleri sürdürmek için yeterlidir. Denizaltı koşulları (yüksek tuz konsantrasyonları, dalgalı sıcaklıklar ve sınırlı besin kaynağı) nedeniyle, Deniz Kuvvetleri, MFC'leri tuza dayanıklı mikroorganizmaların bir karışımıyla dağıtabilir. Bir karışım, mevcut besinlerin daha eksiksiz bir şekilde kullanılmasını sağlar. Shewanella oneidensis birincil adaylarıdır, ancak diğer sıcağa ve soğuğa dayanıklı Shewanella spp'yi içerebilir .

İlk kendi kendine çalışan ve otonom BOİ/KOİ biyosensörü geliştirildi ve tatlı sudaki organik kirleticilerin tespit edilmesini sağlıyor. Sensör yalnızca MFC'ler tarafından üretilen güce dayanır ve bakım gerektirmeden sürekli çalışır. Biyosensör, kirlilik seviyesi hakkında bilgi vermek için alarmı açar: sinyalin artan frekansı, daha yüksek bir kirlilik seviyesi hakkında uyarıda bulunurken, düşük bir frekans, düşük bir kirlilik seviyesi hakkında bilgi verir.

biyolojik kurtarma

2010 yılında A. ter Heijne ve ark. elektrik üretebilen ve Cu 2+ iyonlarını bakır metale indirgeyen bir cihaz yaptı .

Mikrobiyal elektroliz hücrelerinin hidrojen ürettiği gösterilmiştir.

Atık su arıtma

MFC'ler su arıtımında anaerobik çürütme kullanarak enerji toplamak için kullanılır . İşlem ayrıca patojenleri de azaltabilir. Ancak, 30 derecenin üzerinde sıcaklıklar gerektirir ve biyogazı elektriğe dönüştürmek için ekstra bir adım gerektirir . MFC'de sarmal bir akış oluşturarak elektrik üretimini artırmak için spiral aralayıcılar kullanılabilir. MFC'leri ölçeklendirmek, daha geniş bir yüzey alanının güç çıkışı zorlukları nedeniyle bir zorluktur.

Türler

aracılı

Çoğu mikrobiyal hücre elektrokimyasal olarak aktif değildir. Mikrobiyal hücrelerden elektrota elektron transferi tiyonin , metil viologen , metil mavisi , hümik asit ve nötr kırmızı gibi aracılar tarafından kolaylaştırılır . Mevcut arabulucuların çoğu pahalı ve toksiktir.

aracısız

Bir bitki mikrobiyal yakıt hücresi (PMFC)

Aracısız mikrobiyal yakıt hücreleri, elektronları elektrota aktarmak için elektrokimyasal olarak aktif bakteriler kullanır (elektronlar doğrudan bakteriyel solunum enziminden elektrota taşınır). Elektrokimyasal olarak aktif bakteriler arasında Shewanella putrefaciens , Aeromonas hydrophila ve diğerleri bulunur. Bazı bakteriler elektron üretimlerini dış zarlarındaki pilus aracılığıyla aktarabilirler . Aracı içermeyen MFC daha az gibi, özelliği, soy sisteminde kullanılan bakteri, bir tür iyon değişimli zar ve sistem koşullarına (sıcaklık, pH, vs.)

Aracı içermeyen mikrobiyal yakıt hücreleri üzerinde çalışabilir atık bazı bitki ve O arasından doğrudan derived enerji 2 . Bu konfigürasyon, bir bitki mikrobiyal yakıt hücresi olarak bilinir. Olası bitkiler arasında kamış tatlı otu , kordon otu , pirinç, domates, acı bakla ve alg bulunur . Gücün canlı bitkilerden ( in situ -enerji üretimi) elde edildiği göz önüne alındığında , bu varyant ekolojik avantajlar sağlayabilir.

mikrobiyal elektroliz

Ana madde: Mikrobiyal elektroliz hücresi

Aracısız MFC'nin bir varyasyonu, mikrobiyal elektroliz hücresidir (MEC). MFC'ler sudaki organik bileşiklerin bakteriyel ayrışmasıyla elektrik akımı üretirken, MEC'ler bakterilere voltaj uygulayarak hidrojen veya metan üretmek için işlemi kısmen tersine çevirir. Bu , su veya metan üretiminin elektrolizine yol açan organiklerin mikrobiyal ayrışması tarafından üretilen voltajı tamamlar . MFC ilkesinin bir tam tersine bulunan mikrobiyal elektrosentezi olan, karbon dioksit, çok karbonlu organik bileşikleri oluşturmak üzere harici bir elektrik akımı kullanılarak bakteri ile azaltılır.

toprak bazlı

Toprak bazlı bir MFC

Toprak bazlı mikrobiyal yakıt hücreleri, toprağın besin açısından zengin anodik ortam, aşılama ve proton değişim zarı (PEM) gibi davrandığı temel MFC ilkelerine bağlıdır . Anot ise, toprak içinde, belirli bir derinlikte yerleştirilir katot üzerinde duran toprak ve havaya maruz bırakılır.

Topraklar doğal olarak MFC'ler için gerekli elektrojenik bakteriler de dahil olmak üzere çeşitli mikroplarla doludur ve bitki ve hayvan materyallerinin bozulmasından biriken karmaşık şekerler ve diğer besinlerle doludur. Ayrıca, toprakta bulunan aerobik (oksijen tüketen) mikroplar, laboratuvar MFC sistemlerinde kullanılan ve toprağın redoks potansiyelinin daha fazla derinlikle azalmasına neden olan pahalı PEM malzemeleri gibi bir oksijen filtresi görevi görür . Toprak bazlı MFC'ler fen sınıfları için popüler eğitim araçları haline geliyor.

Atıksu arıtımı için tortu mikrobiyal yakıt hücreleri (SMFC'ler) uygulanmıştır . Basit SMFC'ler atık suları temizlerken enerji üretebilir . Bu tür SMFC'lerin çoğu, inşa edilmiş sulak alanları taklit edecek bitkiler içerir. 2015 yılına kadar SMFC testleri 150 L'nin üzerine çıktı.

2015 yılında araştırmacılar, enerji çeken ve bir pili şarj eden bir SMFC uygulamasını duyurdular . Tuzlar suda pozitif ve negatif yüklü iyonlara ayrışır ve hareket ederek ilgili negatif ve pozitif elektrotlara yapışır, pili şarj eder ve mikrobiyal kapasitif tuzdan arındırmaya etki eden tuzun çıkarılmasını mümkün kılar . Mikroplar tuzdan arındırma işlemi için gerekenden daha fazla enerji üretir. 2020'de bir Avrupa araştırma projesi, deniz suyunun insan tüketimi için tatlı suya arıtılmasını yaklaşık 0,5 kWh/m3 enerji tüketimi ile gerçekleştirdi; bu, en son tuzdan arındırma teknolojilerine göre mevcut enerji tüketiminde %85'lik bir azalmayı temsil ediyor. Ayrıca, enerjinin elde edildiği biyolojik süreç, artık suyu çevreye boşaltılması veya tarımsal/endüstriyel kullanımlarda yeniden kullanılması için eş zamanlı olarak arıtır. Bu, Aqualia'nın 2020'nin başlarında İspanya'nın Denia kentinde açtığı tuzdan arındırma inovasyon merkezinde başarıldı.

fototrofik biyofilm

Fototrofik biyofilm MFC (ner) fototrofik kullanımı biyofilm gibi fotosentetik mikroorganizma içeren anot Chlorophyta ve candyanophyta . Fotosentez yaparlar ve böylece organik metabolitler üretirler ve elektron bağışlarlar.

Bir çalışma, PBMFC'lerin pratik uygulamalar için yeterli bir güç yoğunluğu gösterdiğini buldu .

Anotta tamamen oksijenli fotosentetik malzeme kullanan fototrofik MFC'lerin alt kategorisine bazen biyolojik fotovoltaik sistemler denir .

nano gözenekli zar

Amerika Birleşik Devletleri Deniz Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı hücre içinde pasif difüzyon oluşturmak için olmayan bir PEM kullanmak nanogözenekli membran mikrobiyal yakıt hücreleri geliştirdi. Membran, gözeneksiz bir polimer filtredir ( naylon , selüloz veya polikarbonat ). Daha fazla dayanıklılık ile Nafion (iyi bilinen bir PEM) ile karşılaştırılabilir güç yoğunlukları sunar . Gözenekli membranlar pasif difüzyona izin vererek, PEM'i aktif tutmak ve toplam enerji çıkışını arttırmak için MFC'ye sağlanan gerekli gücü azaltır.

Membran kullanmayan MFC'ler, aerobik ortamlarda anaerobik bakterileri dağıtabilir. Bununla birlikte, membransız MFC'ler, yerli bakteriler ve güç sağlayan mikrop tarafından katot kontaminasyonu yaşar. Nano gözenekli membranların yeni pasif difüzyonu, katot kontaminasyonu endişesi olmadan membransız bir MFC'nin faydalarını sağlayabilir.

Nanogözenekli membranlar da daha on kat daha ucuz olan Nafion (Nafion-117, $ 0.22 / cm 2 genel polikarbonat, <$ 0.02 / cm 2 ).

Seramik membran

PEM membranlar seramik malzemelerle değiştirilebilir. Seramik membran maliyeti $ 5.66 / m olarak düşük olabildiğince 2 . Seramik membranların makro gözenekli yapısı iyonik türlerin iyi taşınmasına izin verir.

Seramik MFC'lerde başarıyla kullanılan malzemeler toprak kap , alümina , mullit , pirofilit ve pişmiş topraktır .

Üretim süreci

Mikroorganizmalar aerobik koşullarda şeker gibi bir madde tükettiğinde karbondioksit ve su üretirler . Bununla birlikte, oksijen bulunmadığında, aşağıda açıklandığı gibi karbon dioksit, hidronlar ( hidron iyonları ) ve elektronlar üretirler :

C 12 H 22 O 11 + 13H 2 O → 12CO 2 + 48H + + 48e −

 

 

 

 

( Denklem 1 )

Mikrobiyal yakıt hücreleri , hücrelerin elektron taşıma zincirine girmek için inorganik aracılar kullanır ve üretilen elektronları kanalize eder. Aracı, dış hücre lipid zarlarını ve bakteri dış zarını geçer ; daha sonra, normalde oksijen veya diğer ara maddeler tarafından alınacak elektron taşıma zincirinden elektronları serbest bırakmaya başlar.

Artık indirgenmiş arabulucu, bir elektrota aktardığı elektronlarla yüklü hücreden çıkar; bu elektrot anot olur. Elektronların serbest bırakılması, aracıyı, işlemi tekrarlamaya hazır, orijinal oksitlenmiş durumuna geri dönüştürür. Bu sadece anaerobik koşullar altında gerçekleşebilir ; oksijen varsa, daha fazla elektronegatifliğe sahip olduğu için elektronları toplayacaktır .

MFC işleminde anot, anodik odadaki bakteriler tarafından tanınan terminal elektron alıcısıdır. Bu nedenle, mikrobiyal aktivite, anotun redoks potansiyeline güçlü bir şekilde bağlıdır. Asetat tahrikli bir MFC'nin anodik potansiyeli ile güç çıkışı arasında bir Michaelis-Menten eğrisi elde edildi . Kritik bir anodik potansiyel, maksimum güç çıkışı sağlıyor gibi görünüyor.

Potansiyel aracılar arasında doğal kırmızı, metilen mavisi, tiyonin ve resorufin bulunur.

Elektrik akımı üretebilen organizmalara ekzoelektrojenler denir . Bu akımı kullanılabilir elektriğe dönüştürmek için ekzoelektrojenlerin bir yakıt hücresine yerleştirilmesi gerekir.

Aracı madde ve maya gibi bir mikroorganizma, glikoz gibi bir substratın eklendiği bir çözelti içinde birlikte karıştırılır . Bu karışım, oksijenin girmesini durdurmak ve böylece mikroorganizmayı anaerobik solunum yapmaya zorlamak için kapalı bir odaya yerleştirilir . Anot görevi görmesi için çözeltiye bir elektrot yerleştirilir.

MFC'nin ikinci odasında başka bir çözüm ve pozitif yüklü katot bulunur. Biyolojik hücrenin dışındaki elektron taşıma zincirinin sonundaki oksijen havuzunun eşdeğeridir. Çözelti, katottaki elektronları toplayan oksitleyici bir maddedir . Maya hücresindeki elektron zincirinde olduğu gibi, bu oksijen gibi çeşitli moleküller olabilir, ancak daha uygun bir seçenek daha az hacim gerektiren katı bir oksitleyici ajandır. O 2 ya da katı oksitleyici madde hücre güç, kimyasal enerjinin en içerir.

İki elektrotu bağlamak bir teldir (veya elektriksel olarak iletken başka bir yoldur). Devreyi tamamlamak ve iki odayı birbirine bağlamak, bir tuz köprüsü veya iyon değişim zarıdır. Bu son özellik, Denklem'de açıklandığı gibi üretilen protonlara izin verir . 1 , anot odasından katot odasına geçmek için.

İndirgenmiş aracı, elektronları hücreden elektrota taşır. Burada arabulucu elektronları biriktirirken oksitlenir. Bunlar daha sonra tel boyunca bir elektron havuzu görevi gören ikinci elektrota akar. Buradan oksitleyici bir malzemeye geçerler. Ayrıca hidrojen iyonları/protonlar, Nafion gibi bir proton değişim zarı yoluyla anottan katoda taşınır . Daha düşük konsantrasyon gradyanına doğru hareket edecekler ve oksijenle birleşecekler ama bunu yapmak için bir elektrona ihtiyaçları var. Bu akım üretir ve hidrojen, konsantrasyon gradyanını sürdürerek kullanılır.

Algal biyokütlenin, mikrobiyal yakıt hücresinde substrat olarak kullanıldığında yüksek enerji verdiği gözlemlenmiştir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar