Celula de combustie microbiana (MFC) este un tip de sistem bioelectrochimic de celule de combustibil, care genereaza curent electric prin devierea electronilor produsi din oxidarea microbiana a compusilor redusi (cunoscuti drept combustibil sau donator de electroni) de pe anod catre compusi oxidati, cum ar fi oxigenul (cunoscut si ca agent de oxidare sau acceptor de electroni) pe catod, printr-un circuit electric extern. MFC-urile pot fi grupate in doua categorii generale: mediate si nemediate.
Primele MFC, demonstrate la inceputul secolului al XX-lea, au folosit un mediator: o substanta chimica care transfera electroni de la bacteriile din celula, la anod. MFC-urile nemediate au aparut in anii 1970; in acest tip de MFC, bacteriile au de obicei proteine redox active electrochimic, cum ar fi citocromi pe membrana lor exterioara, care pot transfera electroni direct la anod. In secolul 21, MFC-urile au inceput sa-si gaseasca o utilizare comerciala in tratarea apelor uzate.
Istorie
Ideea de a folosi microbi pentru a produce electricitate a fost conceputa la inceputul secolului XX. Michael Cressé Potter a initiat subiectul in 1911. Potter a reusit sa genereze electricitate din Saccharomyces cerevisiae, dar lucrarea a primit putina acoperire. In 1931, Barnett Cohen a creat semipile de combustie microbiene care, atunci cand erau conectate in serie, erau capabile sa produca peste 35 de volti cu doar un curent de 2 miliamperi.
Un studiu realizat de DelDuca et al. a folosit hidrogenul produs prin fermentarea glucozei de catre Clostridium butyricum ca reactant la anodul unei celule de combustibil cu hidrogen si aer. Desi celula functiona, nu era de incredere din cauza naturii instabile a productiei de hidrogen de catre microorganisme. Aceasta problema a fost rezolvata de Suzuki si colab. in 1976, care a produs un design MFC de succes un an mai tarziu.
La sfarsitul anilor 1970, se intelegea putin despre modul in care functioneaza celulele de combustibil microbiene. Conceptul a fost studiat de Robin M. Allen si mai tarziu de H. Peter Bennetto. Oamenii au vazut celula de combustie ca o posibila metoda de generare a energiei electrice pentru tarile in curs de dezvoltare. Lucrarea lui Bennetto, inceputa la inceputul anilor 1980, a ajutat la dezvoltarea unei intelegeri a modului in care functioneaza celulele de combustie si a fost vazut de multi ca fiind cea mai importanta autoritate a subiectului.
In Mai 2007, Universitatea din Queensland, Australia, a finalizat un prototip MFC ca efort de cooperare cu Foster’s Brewing. Prototipul, cu un design de 10 L, a transformat apele uzate ale fabricii de bere in dioxid de carbon, apa curata si electricitate. Grupul avea planuri de a crea un model la scara pilot pentru o viitoare conferinta internationala de bioenergie.
Definitie
O celula de combustibil microbiana (MFC) este un dispozitiv care transforma energia chimica in energie electrica prin actiunea microorganismelor. Aceste celule electrochimice sunt construite folosind fie un bioanod si/sau un biocatod.
Majoritatea MFC-urilor contin o membrana pentru a separa compartimentele anodului (unde are loc oxidarea) si catodului (unde are loc reducerea). Electronii produsi in timpul oxidarii sunt transferati direct la un electrod sau la o specie mediatoare redox. Fluxul de electroni este mutat la catod. Echilibrul de sarcina al sistemului este mentinut prin miscarea ionica in interiorul celulei, de obicei peste o membrana ionica. Majoritatea MFC-urilor folosesc un donor organic de electroni care este oxidat pentru a produce CO2, protoni si electroni. Au fost raportati si alti donatori de electroni, cum ar fi compusii cu sulf sau hidrogenul. Reactia catodica foloseste o varietate de acceptori de electroni, cel mai adesea oxigen (O2). Alti acceptori de electroni studiati includ recuperarea metalelor prin reducere, apa la hidrogen, reducerea nitratilor si reducerea sulfatului.
Aplicatii
Generarea de energie electrica
MFC-urile sunt atractive pentru aplicatiile de generare a energiei care necesita doar putere redusa, dar in care inlocuirea bateriilor poate fi nepractica, cum ar fi retelele de senzori fara fir. Senzorii fara fir alimentati de celule de combustie microbiene pot fi apoi utilizati, de exemplu, pentru monitorizarea de la distanta (conservare).
Practic, orice material organic ar putea fi folosit pentru alimentarea celulei de combustibil, inclusiv celulele de cuplare la statiile de tratare a apelor uzate. Apa uzata din procesele chimice si apele uzate sintetice au fost folosite pentru a produce bioelectricitate in MFC-uri fara mediator cu dubla si cu o singura camera (electrozi de grafit neacoperiti).
O productie de putere mai mare a fost observata cu un anod de grafit acoperit cu biofilm. Emisiile de celule de combustie sunt mult sub limitele de reglementare. MFC-urile convertesc energia mai eficient decat motoarele cu ardere interna standard, care sunt limitate de eficienta Carnot. In teorie, un MFC este capabil sa aiba o eficienta energetica mult peste 50%. Rozendal a produs hidrogen cu aport de energie de 8 ori mai mic decat tehnologiile conventionale de producere a hidrogenului.
Mai mult, MFC-urile pot functiona si la o scara mai mica. In unele cazuri, electrozii trebuie sa aiba doar 7 μm grosime si 2 cm lungime, astfel incat un MFC poate inlocui o baterie. Ofera o forma de energie regenerabila si nu trebuie reincarcat.
MFC functioneaza bine in conditii blande, 20 °C pana la 40 °C si la pH de aproximativ 7, dar nu au stabilitatea necesara pentru aplicatiile medicale pe termen lung, cum ar fi stimulatoarele cardiace.
Centralele electrice pot fi bazate pe plante acvatice precum algele. Daca este amplasat adiacent unui sistem de alimentare existent, sistemul MFC isi poate partaja liniile electrice.
Educatie
Pilele de combustie microbiene din sol servesc ca instrumente educationale, deoarece cuprind mai multe discipline stiintifice (microbiologie, geochimie, inginerie electrica etc.) si pot fi realizate folosind materiale disponibile in mod obisnuit. Sunt disponibile truse pentru proiecte de stiinta acasa si sali de clasa. Un exemplu de celule de combustibil microbiene utilizate in clasa este in curriculumul IBET (Biologie integrata, engleza si tehnologie) pentru Thomas Jefferson High School for Science and Technology.
Mai multe videoclipuri si articole educationale sunt, de asemenea, disponibile pe Societatea Internationala pentru Electrochimie si Tehnologie Microbica (ISMET Society).
Biosenzor
Curentul generat dintr-o celula de combustie microbiana este direct proportional cu continutul de materie organica al apei uzate utilizate pe post de combustibil. MFC-urile pot masura concentratia de dizolvat a apei uzate (adica, ca biosenzor).
Apa uzata este in mod obisnuit evaluata pentru valorile cererii biochimice de oxigen (BOD). Valorile BOD sunt determinate prin incubarea probelor timp de 5 zile cu sursa adecvata de microbi, de obicei namol activ colectat de la statiile de apa uzata.
Un senzor BOD de tip MFC poate furniza valori BOD in timp real. Oxigenul si nitratii interfereaza cu acceptorii de electroni preferati asupra anodului, reducand generarea de curent de la un MFC. Prin urmare, senzorii MFC BOD subestimeaza valorile BOD in prezenta acestor acceptori de electroni. Acest lucru poate fi evitat prin inhibarea respiratiei aerobe si a nitratilor in MFC, folosind inhibitori terminali de oxidaza, cum ar fi cianura si azida. Astfel de senzori BOD sunt disponibili comercial.
Marina Statelor Unite are in vedere celulele de combustibil microbiene pentru senzorii de mediu. Utilizarea celulelor de combustie microbiene pentru alimentarea senzorilor de mediu ar putea furniza energie pentru perioade mai lungi si poate permite colectarea si preluarea datelor submarine fara o infrastructura prin cablu. Energia creata de aceste celule de combustibil este suficienta pentru a sustine senzorii dupa un timp initial de pornire.
Din cauza conditiilor submarine (concentratii mari de sare, temperaturi fluctuante si aprovizionare limitata de nutrienti), marina poate implementa MFC-uri cu un amestec de microorganisme tolerante la sare, care ar permite o utilizare mai completa a nutrientilor disponibili. Shewanella oneidensis este candidatul lor principal, dar pot fi folosite si alte micro-organisme rezistente la frig.
Un prim biosenzor BOD/COD autoalimentat si autonom a fost dezvoltat si permite detectarea contaminantilor organici in apa dulce. Senzorul se bazeaza doar pe puterea produsa de MFC si functioneaza continuu fara intretinere. Porneste alarma pentru a informa despre nivelul de contaminare: frecventa crescuta a semnalului avertizeaza despre un nivel mai ridicat de contaminare, in timp ce o frecventa scazuta informeaza despre un nivel scazut de contaminare.
Biorecuperare
In 2010, A. ter Heijne si colab. au construit un dispozitiv capabil sa produca electricitate si sa reduca ionii de Cu2+ la cupru metal.
S-a demonstrat ca celulele de electroliza microbiana produc hidrogen.
Epurare a apelor uzate
MFC-urile sunt utilizate in tratarea apei pentru a recolta energie folosind digestia anaeroba. Procesul poate reduce, de asemenea, agentii patogeni. Cu toate acestea, necesita temperaturi de peste 30 de grade C si necesita procese suplimentare pentru a transforma biogazul in energie electrica. Distantierele spiralate pot fi utilizate pentru a creste generarea de energie electrica prin crearea unui flux elicoidal in MFC.
Tipuri
Mediat
Majoritatea celulelor microbiene sunt inactive din punct de vedere electrochimic. Transferul de electroni de la celulele microbiene la electrod este facilitat de mediatori precum tionina, viologenul de metil, albastrul de metil, acidul humic si rosul neutru. Majoritatea mediatorilor disponibili sunt scumpi si toxici.
Fara mediator
Pilele de combustibil microbiene fara mediatori folosesc bacterii active electrochimic, cum ar fi Shewanella putrefaciens si Aeromonas hydrophila, pentru a transfera electroni direct de la enzima respiratorie bacteriana la electrod. Unele bacterii sunt capabile sa-si transfere productia de electroni prin pili de pe membrana lor externa. MFC-urile fara mediator sunt mai putin bine caracterizate, cum ar fi tulpina bacteriilor utilizate in sistem, tipul de membrana schimbatoare de ioni si conditiile sistemului (temperatura, pH etc.)
Pilele de combustibil microbiene fara mediatori pot functiona pe apele uzate si pot obtine energie direct din anumite plante si O2. Aceasta configuratie este cunoscuta ca o celula de combustibil microbiana a plantelor. Plantele posibile includ iarba dulce de stuf, cordgrass, orez, rosii si alge. Avand in vedere ca puterea este obtinuta folosind plante vii (productie in situ de energie), aceasta varianta poate oferi avantaje ecologice.
Electroliza microbiana
O varianta a MFC fara mediator este celula de electroliza microbiana (MEC). In timp ce MFC-urile produc curent electric prin descompunerea bacteriana a compusilor organici in apa, MEC-urile inverseaza partial procesul pentru a genera hidrogen sau metan, prin aplicarea unei tensiuni bacteriilor. Aceasta completeaza tensiunea generata de descompunerea microbiana a substantelor organice, ducand la electroliza productiei de apa sau metan. O inversare completa a principiului MFC se gaseste in electrosinteza microbiana, in care dioxidul de carbon este redus de bacterii folosind un curent electric extern pentru a forma compusi organici multi-carbon.
Pe baza de sol
Pilele de combustibil microbiene pe baza de sol adera la principiile de baza MFC, prin care solul actioneaza ca mediu anodic bogat in nutrienti. Anodul este plasat la o anumita adancime in sol, in timp ce catodul se sprijina deasupra solului si este expus la aer.
Solurile sunt pline in mod natural cu diversi microbi, inclusiv bacterii electrogenice necesare pentru MFC, si sunt pline de zaharuri complexe si alti nutrienti care s-au acumulat din degradarea materialului vegetal si animal. Mai mult decat atat, microbii aerobi (consumatori de oxigen) prezenti in sol, actioneaza ca un filtru de oxigen, la fel ca materialele scumpe PEM utilizate in sistemele MFC de laborator, care fac ca potentialul redox al solului sa scada cu o adancime mai mare. MFC-urile bazate pe sol devin instrumente educationale populare pentru salile de clasa de stiinte.
Pilele de combustibil microbiene cu sedimente (SMFC) au fost aplicate pentru tratarea apelor uzate. SMFC simple pot genera energie in timp ce decontamineaza apele uzate. Majoritatea acestor SMFC contin plante.
In 2015, cercetatorii au anuntat o aplicatie SMFC care extrage energie si incarca o baterie. Sarurile se disociaza in ioni incarcati pozitiv si negativ in apa, se misca si adera la electrozii negativi si pozitivi respectivi, incarcand bateria si facand posibila indepartarea sarii efectuand desalinizarea capacitiva microbiana. De asemenea, microbii produc mai multa energie decat este necesara pentru procesul de desalinizare. In 2020, un proiect european de cercetare a realizat transformarea apei de mare in apa dulce pentru consum uman, cu un consum de energie in jur de 0,5 kWh/m3, ceea ce reprezinta o reducere cu 85% a consumului actual de energie, respectand tehnologiile de desalinizare de ultima generatie.
Mai mult, procesul biologic din care se obtine energia purifica simultan apa reziduala pentru deversarea acesteia in mediu sau reutilizare in utilizari agricole/industriale. Acest lucru a fost realizat in centrul de inovare in desalinizare pe care Aqualia l-a deschis in Denia, Spania, la inceputul anului 2020.
