Pilă de combustibil microbiologică

O celulă de combustibil microbiană ( celula de combustibil microbiană, MFC) sau un sistem de celule de combustibil biologic este un bio- electrochimic care generează curent imitând interacțiunile bacteriene care se găsesc în natură . Microorganismele catabolizează compuși precum glucoza (Chen și colab. , 2001), acetat , butirat (Liu și colab. , 2005) sau apele uzate (Habermann și Pommer, 1991). Electronii obținuți cu această oxidare sunt transferați către un anod , din care trec printr-un circuit electric înainte de a ajunge la catod . De acolo sunt transferați către un acceptor de electroni cu potențial ridicat, cum ar fi oxigenul . Pe măsură ce curentul curge datorită diferenței de potențial , puterea este generată direct din biocombustibil prin activitatea catalitică a bacteriilor. (Rabaey și Verstraete, 2005)

Pilă de combustibil microbiologică

O celulă de combustibil microbiologică transformă energia chimică în energie electrică prin reacția catalitică a microorganismelor (Allen și Bennetto, 1993). Un teanc microbiologic tipic este format din două compartimente, unul care închide anodul și celălalt catodul, unite printr-o membrană semipermeabilă care permite doar trecerea cationilor. În compartimentul anodic fără oxigen, combustibilul este oxidat de microorganisme , eliberând electroni și cationi. Cationii se deplasează către catod prin membrană, în timp ce electronii ajung la el printr-un circuit electric în afara celulei; electronii și cationii sunt apoi recombinați cu oxigen în compartimentul catodic, formând apă. Bacteriile din celulele cu combustibil biologic se hrănesc cu glucoză și metanol obținute din deșeurile alimentare și le transformă în hidrogen (pot fi folosite și ape reziduale și chiar urină pură în acest sens). În general, există două tipuri de celule de combustibil microbiologice, cu și fără mediator de transfer de electroni.

Pilă de combustibil microbiologică cu mediator

Majoritatea celulelor microbiologice sunt inactive electrochimic. Transferul de electroni din aceste celule în electrodul anodic este facilitat de mediatori precum tionina , paraquat , albastru de metilen , acid humic , roșu de toluilenă și așa mai departe (Delaney și colab., 1984; Lithgow și colab., 1986). Cu toate acestea, majoritatea mediatorilor disponibili sunt scumpi și toxici.

Pilă de combustibil microbiologică fără mediator

Pilele de combustibil microbiologice fără mediator au fost proiectate la Institutul Coreean de Știință și Tehnologie ^[1] de un grup condus de Kim, Byung Hong ^[2] . Astfel de celule de combustie nu au nevoie de un mediator, ci folosesc bacterii active din punct de vedere electrochimic pentru a transfera electroni în electrod (aceștia sunt transportați direct de enzima respiratorie a bacteriei). Printre bacteriile active din punct de vedere electrochimic se numără Shewanella putrefaciens (Kim și colab. , 1999a), Aeromonas hydrophila (Cuong și colab. , 2003) și altele.

Bateriile fără mediator sunt o dezvoltare foarte recentă și din această cauză, factorii care le afectează funcționarea, cum ar fi bacteriile utilizate în sistem, tipul de membrană ionică și condițiile generale, cum ar fi temperatura, nu sunt încă bine înțelese. Bacteriile din celulele fără mediator au, de obicei, enzime de reducere active electrochimic, cum ar fi citocromii din membrana lor exterioară, care sunt capabili să transfere electroni către materiale conductoare și apoi către electrod (Min, și colab. , 2005).

Generarea de energie electrică

Când microorganismele consumă un substrat precum zahărul în condiții aerobe, produc dioxid de carbon și apă . Cu toate acestea, atunci când oxigenul nu este prezent, acestea produc dioxid de carbon, protoni și electroni , așa cum este descris mai jos (Bennetto, 1990):

C ₁₂ H ₂₂ O ₁₁ + 13H ₂ O ---> 12CO ₂ + 48H ⁺ + 48e ^-

Celulele microbiologice folosesc mediatori anorganici pentru a intra în lanțul de transport al electronilor între celule și pentru a „fura” pe cei care sunt produși. Mediatorul traversează membranele lipidice externe și peretele plasmatic; apoi începe să elibereze electronii din lanțul lor de transport, care ar fi în mod normal ocupat de oxigen sau de alți intermediari. Mediatorul, acum redus, părăsește celula încărcată cu electroni care sunt transportați la un electrod unde sunt depuși; acest electrod devine anodul electrogenerator (electrodul negativ). Eliberarea electronilor aduce mediatorul înapoi la starea sa oxidată anterioară, gata să repete procesul; este important de reținut că procesul poate avea loc numai în condiții anaerobe, deoarece, dacă ar exista oxigen, ar colecta toți electronii datorită electronegativității sale mai mari decât mediatorul.

Acesta este principiul generării unui flux de electroni din majoritatea microorganismelor. Pentru a transforma acest flux într-un generator electric utilizabil, procesul trebuie să fie adăpostit într-o celulă de combustibil. În plus, este necesar să creați un circuit electric complet, nu este suficient să aduceți electronii într-un singur punct.

Mediatorul și microorganismele, în acest caz drojdia, sunt amestecate într-o soluție la care se adaugă un substrat adecvat, cum ar fi glucoza. Acest amestec este plasat într-un compartiment etanș, astfel încât să nu poată pătrunde oxigen, forțând astfel drojdiile să utilizeze respirația anaerobă. Un electrod este apoi plasat în soluție care va acționa ca un anod, așa cum este descris mai sus.

În al doilea compartiment al bateriei există o altă soluție și un alt electrod. Acest electrod, numit catod, este încărcat pozitiv și este echivalent cu fântâna de oxigen de la capătul lanțului de transport al electronilor, doar că este extern celulei biologice. Soluția este un agent oxidant care colectează electroni la catod. Ca și în lanțul de electroni din celula de drojdie, acest agent ar putea fi alcătuit din diferite tipuri de molecule, cum ar fi oxigenul. Cu toate acestea, acest gaz nu este deosebit de practic de utilizat, deoarece ar fi necesar un volum mare. O opțiune mai convenabilă este utilizarea unei soluții de agent oxidant solid.

Pentru a conecta cei doi electrozi există un fir (sau orice altă cale conductivă care ar putea include un instrument electric, cum ar fi un bec) și pentru a completa circuitul conectând cele două compartimente există un pod de sare sau o membrană care permite schimb de ioni. Această ultimă caracteristică permite protonilor produși, așa cum este descris în ecuația de mai sus, să treacă de la compartimentul anodic la cel al catodului.

Mediatorul redus transportă electronii din celule către electrod; prin urmare, mediatorul se oxidează pe măsură ce depune electroni. Acestea curg apoi prin fir către al doilea electrod, care funcționează ca o conexiune la masă; de aici trec apoi într-un material oxidant.

Utilizări

Generarea de energie electrică

Pilele de combustibil microbiologice au multe utilizări potențiale. Prima și cea mai evidentă este utilizarea energiei electrice produse ca sursă de energie. Practic orice materie organică poate fi utilizată pentru a „alimenta” grămada, care ar putea fi instalată în purificatoarele de apă din apele uzate. Bacteriile ar consuma deșeurile din apă și ar produce energie suplimentară pentru plante. Avantajul tuturor este că acest tip de baterii sunt o metodă curată și eficientă pentru producerea de energie, de fapt, emisiile lor sunt cu mult sub legile specifice (Choi, și colab. , 2000). Celulele microbiologice utilizează energia mult mai eficient decât motoarele cu ardere standard, care sunt limitate de ciclul Carnot . În teorie, o baterie de acest tip este capabilă să aibă o eficiență energetică mult mai mare de 50% (Yue & Lowther, 1986).

Cu toate acestea, celulele de combustibil microbiologice nu trebuie utilizate pe scară largă, deoarece electrozii pot avea în unele cazuri o grosime de doar 7 µm și o lungime de 2 cm (Chen și colab. , 2001). Avantajele utilizării unor astfel de baterii în această situație în locul bateriilor normale constă în faptul că folosesc o formă regenerabilă de energie și nu trebuie să fie reîncărcate în modul în care sunt încărcate cele chimice. În plus, bateriile ar funcționa bine în condiții ușoare, între 20 ° C și 40 ° C, și cu pH în jur de 7 (Bullen, și colab. , 2005). Deși sunt mai puternici decât catalizatorii metalici, în prezent sunt prea instabili pentru aplicații medicale pe termen lung, cum ar fi stimulatoarele cardiace (Biotech / Life Sciences Portal).

Utilizări ulterioare

Deoarece curentul generat de o celulă de combustibil microbiologică este direct proporțional cu organicitatea apelor uzate utilizate ca combustibil, o astfel de celulă poate fi utilizată pentru a măsura această organicitate (Kim și colab. , 2003). Această organicitate este evaluată ca valori ale cererii biochimice de oxigen ("DBO"). Aceste valori sunt determinate prin incubarea probelor timp de 5 zile cu surse adecvate de microbi, de obicei nămol activ colectat din canalizare. Când valorile BOD sunt utilizate ca parametru de control în timp real, 5 zile de incubație sunt prea lungi. Un senzor BOD de tip celular microbiologic poate fi utilizat pentru a măsura valorile instantanee de DBO. Oxigenul și nitrații sunt acceptori preferați ai electronilor, reducând astfel curentul generat de celulă; un astfel de senzor, în prezența acestor acceptori, subestimează valorile BOD. Problema poate fi evitată prin inhibarea respirației aerobe și a nitraților în stivă folosind inhibitori de oxidază, cum ar fi cianura și azida ^[3] . Acest tip de senzor BOD este disponibil comercial.

Cercetări actuale

În prezent, majoritatea cercetătorilor care lucrează în acest domeniu sunt mai degrabă biologi decât electrochimiști sau ingineri . Acest lucru i-a determinat pe unii cercetători (Menicucci, 2005) să efectueze unele practici greșite, cum ar fi înregistrarea curentului maxim obținut de la bateria conectată la un rezistor ca indicator al performanței, mai degrabă decât curentul permanent care este adesea un ordin de mărime mai mic . Uneori, datele privind valoarea rezistenței utilizate sunt rare, ducând la valori necomparabile.

Istorie

La începutul secolului trecut s-a conceput ideea utilizării celulelor microbiologice pentru a încerca să producă electricitate . MC Potter a fost primul care a lucrat la acest subiect în 1912. Potter a fost profesor de botanică la Universitatea Durham și a reușit să producă electricitate din Escherichia coli , dar munca sa nu a fost foarte urmărită. Cu toate acestea, în 1931, Barnet Cohen a îndreptat atenția asupra subiectului atunci când a construit niște jumătăți de celule de combustibil microbiologice care, conectate în serie, erau capabile să producă peste 35 de volți , deși cu un curent de doar 2 miliamperi (Cohen, 1931). Lucrări suplimentare pe această temă au venit cu un studiu realizat de DelDuca și colab. care a folosit hidrogenul produs prin fermentarea glucozei obținute din Clostridium butyricum ca reactant la anodul unei pile de combustie cu hidrogen și aer. Din păcate, chiar dacă celula a funcționat, sa dovedit a fi nesigură din cauza naturii instabile a producției de hidrogen de către microorganisme (Delduca, și colab. , 1963). Deși această problemă a fost rezolvată ulterior prin lucrarea lui Suzuki și colab. în 1976 (Karube, și colab. , 1976) proiectul microbiologic actual al pilelor de combustibil a apărut un an mai târziu, cu o altă lucrare a lui Suzuki (Karube, și colab. , 1977).

Deși puțin s-a înțeles când Suzuki a lucrat la proiect la sfârșitul anilor 1970 despre funcționarea acestor baterii microbiologice, ideea a fost ulterior colectată și studiată mai detaliat mai întâi de MJ Allen și apoi de H. Peter Bennetto, ambii de la King's College. . Bennetto a văzut în baterie o posibilă metodă de generare a energiei electrice în țările lumii a treia. Munca sa, care a început la începutul anilor 1980, a ajutat la înțelegerea modului în care funcționează celulele de combustibil și, până la pensionare, a fost văzut de mulți ca fiind cea mai importantă autoritate în acest sens.

Se știe că electricitatea poate fi produsă direct din descompunerea materiei organice într-o celulă de combustibil microbiologică, deși mecanismul exact al procesului nu este încă pe deplin înțeles. La fel ca o celulă de combustibil normală, aceasta are atât un anod cât și un compartiment catodic. Compartimentul anaerob al anodului este conectat intern cu compartimentul catodic prin intermediul unei membrane care poate fi traversată de ioni și circuitul este completat de un fir extern.

În mai 2007 , Universitatea din Queensland din Australia și-a finalizat prototipul de celule de combustibil microbiologice, ca urmare a cooperării cu Fosters Brewing Company. Prototipul, un model de 10 litri, transformă apa uzată a fabricii de bere în dioxid de carbon, apă curată și electricitate. Cu prototipul dovedit funcțional, se planifică construirea unei versiuni de 660 galoane pentru fabrică de bere, care se estimează că va produce 2 kilowați de putere. Chiar dacă este o cantitate mică de energie, producerea de apă curată este cel mai important punct pentru Australia, care se confruntă cu cea mai gravă secetă din ultimii 100 de ani.

Notă

^ Korea Institute of Science and Technology website Arhivat 17 martie 2008 la Internet Archive .
^ Copie arhivată , la bioelectrochemistry.kist.re.kr . Adus la 5 mai 2008 (arhivat din original la 5 decembrie 2008) .
^ Chang, IS, Moon, H., Jang, JK și Kim, BH (2005) Îmbunătățirea performanței unei celule de combustibil microbiene ca senzor DBO folosind inhibitori respiratori. Biosenzori și Bioelectronică 20, 1856-1859.

Bibliografie

Allen, RM și Bennetto, HP 1993. Pilele de combustie microbiene - Producția de energie electrică din carbohidrați. Aplic. Biochimie. Biotehnologie. , 39/40, pp. 27-40.
Bennetto, HP (1990). Generarea electricității de către microorganisme Educația biotehnologică, 1 (4), pp. 163–168.
Bennetto, HP, Stirling, JL, Tanaka, K. și Vega CA (1983). Reacția anodică în biotehnologie și bioinginerie a celulelor combustibile microbiene, 25, pp. 559-568.
The Biotech / Life Sciences Portal, Impressive idea - self-sufficient combustible cells , la bio-pro.de , Baden-Württemberg GmbH, 20 ianuarie 2006. Accesat la 12 septembrie 2007 (arhivat din original la 4 decembrie 2008) .
Bullen, RA, Arnot, TC, Lakeman, JB și Walsh, FC (2005). Celulele pentru biocombustibili și dezvoltarea lor Biosenzori și bioelectronică, 21 (11), pp. 2015–2045
Chen, T., SC Barton, G. Binyamin, Z Gao, Y. Zhang, H.-H. Kim & A. Heller, O miniatură cu celule de biocombustibil , în J. Am. Chem. Soc. , Vol. 123, n. 35, 2001, pp. 8630-8631, DOI : 10.1021 / ja0163164 .
Choi Y., Jung S. și Kim S. (2000) Dezvoltarea celulelor de combustibil microbiene folosind Buletinul Proteus Vulgaris al Societății Chimice Coreene, 21 (1), pp. 44-48
Cohen, B. (1931). The Bacterial Culture as an Electrical Half-Cell, Journal of Bacteriology, 21, pp18-19
Cuong, AP, Jung, SJ, Phung, NT, Lee, J., Chang, IS, Kim, BH, Yi, H. și Chun, J. 2003. la Aeromonas hydrophila, izolat dintr-o celulă de combustibil microbiană. FEMS Microbiol. Lit. , Volumul 223 (1): 129-134.
Delaney, GM, Bennetto, HP, Mason, JR, Roller, HD, Stirling, JL și Thurston, CF 1984. Cuplarea transferului de electroni în celule de combustibil microbiene: 2. Performanța celulelor de combustibil care conțin combinații selectate micoorganism-mediator-substrat. J Chem. Tehnologie. Biotehnologie. , 34B: 13-27.
DelDuca, MG, Friscoe, JM și Zurilla, RW (1963). Dezvoltări în microbiologie industrială. Institutul American de Științe Biologice, 4, pp81-84.
Gil, GC, Chang, IS, Kim, BH, Kim, M., Jang, JK, Park, HS, Kim, HJ, 2003. Parametri operaționali care afectează performanța unui combustibil microbian fără mediator. Biosen. Bioelectron. 18, 327–334.
Habermann, W. și E.-H. Pommer, Pile de combustibil biologice cu capacitate de stocare a sulfurilor , în Appl. Microbiol. Biotehnologie. , vol. 35, 1991, pp. 128-133.
Karube, I., T. Matasunga, S. Suzuki și S. Tsuru, Producția continuă de hidrogen de către celule întregi imobilizate de Clostridium butyricum , în Biocheimica et Biophysica Acta , vol. 24, n. 2, 1976, pp. 338-343.
Karube, I., T. Matasunga, S. Suzuki și S. Tsuru, celule biochimice care utilizează celule imobilizate de Clostridium butyricum , în Biotehnologie și Bioinginerie , vol. 19, 1977, pp. 1727-1733.
Kim, BH, Kim, HJ, Hyun, MS, Park, DH 1999a. Reacția directă a electrodului bacteriei reducătoare a Fe (III), putrezirea Shewanella . J Microbiol. Biotehnologie. 9: 127–131.
Kim, HJ, Hyun, MS, Chang, IS, Kim, BH 1999b. Un biosenzor de tip lactat cu celule de combustie microbiene care utilizează o bacterie care reduce metalul, Shewanella putrefaciens . J Microbiol. Biotehnologie. 9: 365–367.
Kim HJ, Park HS, Hyun MS, Chang IS, Kim M, Kim BH. O celulă de combustibil microbiană fără mediator care folosește o bacterie de reducere a metalului, Shewanella putrefaciens . Enzyme Microb. Tehnologie. 2002; 30: 145–152.
Kim BH, Chang IS, Gil GC, Park HS și Kim HJ (2003) "Nov senzor BOD (cerere biologică de oxigen) folosind celule de combustibil microbiene fără mediator". Biotechnology Letters 25 : 541-545.
Lithgow, AM, Romero, L., Sanchez, IC, Souto, FA și Vega, CA 1986. Interceptarea lanțului de transport al electronilor în bacterii cu mediatori redox hidrofili. J. Chem. Cercetare, (S): 178–179.
Liu H, Cheng S și Logan BE, Producția de electricitate din acetat sau butirat utilizând o celulă de combustibil microbiană cu o singură cameră , în Environ Sci Technol , vol. 32, nr. 2, 2005, pp. 658-62.

Menicucci, Joseph Anthony Jr., Haluk Beyenal, Enrico Marsili, Raaja Raajan Angathevar Veluchamy, Goksel Demir și Zbigniew Lewandowski, Sustainable Power Measurement for a Microbial Fuel Cell, AIChE Annual Meeting 2005, Cincinnati , SUA .
Min, B., Cheng, S. și Logan BE (2005). Generarea de energie electrică utilizând celule de combustie microbiene cu membrană și sare, Water Research, 39 (9), pp1675-86
Potter, MC (1912). Efecte electrice care însoțesc descompunerea compușilor organici. Societatea Regală (Fost Proceedings of the Royal Society) B, 84, p290-276.
Rabaey, K. și W. Verstraete, Pilele de combustibil microbiene: biotehnologie nouă pentru generațiile de energie , în Trends Biotechnol , vol. 23, 2005, pp. 291-298.
Yue PL și Lowther K. (1986). Oxidarea enzimatică a compușilor C1 într-o celulă de combustibil biochimică The Chemical Engineering Journal 33