Войти
A Микробный топливный элемент (MFC ) является био- электрохимическим система, которая управляет электрическим током с использованием бактерий и высокоэнергетического окислителя, такого как O 2, имитируя бактериальные взаимодействия, обнаруженные в природе. МФЦ можно разделить на две общие категории: опосредованные и неопосредованные. Первые МФЦ, продемонстрированные в начале 20 века, использовали медиатор: химическое вещество, которое переносит электроны от бактерий в ячейке к аноду. Непосредственные МФЦ возникли в 1970-х годах; В этом типе МФЦ бактерии обычно имеют электрохимически активные redox белки, такие как цитохромы на своей внешней мембране, которые могут переносить электроны непосредственно на анод. В 21 веке МФЦ начали находить коммерческое применение в очистке сточных вод.
Идея Использование микробов для производства электроэнергии было задумано в начале двадцатого века. Майкл Крессе Поттер начал эту тему в 1911 году. Поттеру удалось получить электричество из Saccharomyces cerevisiae, но эта работа получила мало внимания. В 1931 году Барнетт Коэн создал микробные половину топливных элементов, которые при последовательном соединении были способны производить более 35 вольт при токе всего 2 <98.>миллиампер.
Исследование DelDuca et al. использовали водород, полученный ферментацией глюкозы Clostridium butyricum, в качестве реагента на аноде водородно-воздушного топливного элемента. Хотя клетка функционировала, она была ненадежной из-за нестабильного характера производства водорода микроорганизмами. Эта проблема была решена Suzuki et al. в 1976 году, и год спустя он разработал успешную конструкцию MFC.
В конце 1970-х годов мало что было известно о том, как работают микробные топливные элементы. Концепция была изучена Робином М. Алленом, а затем Х. Питером Беннетто. Люди рассматривали топливные элементы как возможный метод производства электроэнергии для развивающихся стран. Работа Беннетто, начатая в начале 1980-х, помогла понять, как работают топливные элементы, и многие считали его главным авторитетом в этой теме.
В мае 2007 года Университет Квинсленда, Австралия завершил разработку прототипа MFC в сотрудничестве с Foster's Brewing. Прототип объемом 10 л преобразовывал сточные воды пивоварни в углекислый газ, чистую воду и электричество. У группы были планы создать пилотную модель для предстоящей международной конференции по биоэнергетике.
Микробный топливный элемент (MFC) - это устройство, которое преобразует химическая энергия в электрическая энергия под действием микроорганизмов. Эти электрохимические ячейки построены с использованием биоанода и / или биокатода. Большинство MFC содержат мембрану для разделения отсеков анода (где происходит окисление) и катода (где происходит восстановление). Электроны, образующиеся во время окисления, переносятся непосредственно на электрод или на разновидности окислительно-восстановительного медиатора . Электронный поток перемещается на катод. Баланс заряда системы поддерживается ионным движением внутри клетки, обычно через ионную мембрану. В большинстве MFC используется органический донор электронов, который окисляется с образованием CO 2, протонов и электронов. Сообщалось о других донорах электронов, таких как соединения серы или водород. В катодной реакции используются различные акцепторы электронов, чаще всего кислород (O 2). Другие изученные акцепторы электронов включают восстановление металлов восстановлением, восстановление воды до водорода, восстановление нитратов и восстановление сульфатов.
MFC привлекательны для приложений по выработке электроэнергии, которые требуют только низкого энергопотребления, но в которых замена батарей может быть нецелесообразной, например, в беспроводных сенсорных сетях. Беспроводные датчики, питаемые от микробных топливных элементов, могут затем, например, использоваться для дистанционного мониторинга (консервация).
Практически любой органический материал может использоваться для питания топливного элемента, включая элементы связи с очистные сооружения. Сточные воды химических производств и синтетические сточные воды использовались для производства биоэлектричества в двух- и однокамерных безмедиаторных МФЦ (графитовых электродах без покрытия).
Более высокая выработка энергии наблюдалась с биопленкой, покрытой графитом анодом. Выбросы топливных элементов находятся в пределах нормативных ограничений. MFC преобразуют энергию более эффективно, чем стандартные двигатели внутреннего сгорания, которые ограничены эффективностью Карно. Теоретически эффективность использования энергии МФЦ намного превышает 50%. Розендал добился преобразования энергии в водород в 8 раз больше, чем при использовании традиционных технологий производства водорода.
Однако MFC могут работать и в меньшем масштабе. В некоторых случаях электроды должны быть толщиной всего 7 мкм и длиной 2 см, так что MFC может заменить батарею. Он обеспечивает возобновляемую форму энергии и не требует подзарядки.
МФЦ хорошо работают в мягких условиях, от 20 ° C до 40 ° C, а также при pH около 7. Им не хватает стабильности, необходимой для длительного применения в медицине, например, в кардиостимуляторы.
Электростанции могут быть основаны на водных растениях, таких как водоросли. Если система MFC расположена рядом с существующей энергосистемой, она может совместно использовать свои линии электропередач.
Почвенные микробные топливные элементы служат в качестве образовательных инструментов, поскольку они охватывают несколько научных дисциплин (микробиология, геохимия, электротехника и т. д.) и могут быть изготовлены с использованием общедоступных материалов, таких как почва и предметы из холодильника. Доступны комплекты для проектов по домашним наукам и классных комнат. Одним из примеров использования микробных топливных элементов в классе является учебная программа IBET (интегрированная биология, английский язык и технологии) для средней школы науки и технологий Томаса Джефферсона. Также доступно несколько обучающих видео и статей на сайте Международного общества микробной электрохимии и технологии (ISMET Society) "".
Ток, генерируемый микробным топливным элементом, прямо пропорционален содержанию органических веществ в сточных водах, используемых в качестве топлива. МФЦ могут измерять концентрацию растворенных веществ в сточных водах (т. Е. Как биосенсор ).
Сточные воды обычно оцениваются на предмет их биохимической потребности в кислороде (БПК). Значения БПК определяются путем инкубации образцов в течение 5 дней. с надлежащим источником микробов, обычно активным илом, собираемым с очистных сооружений.
Датчик БПК типа MFC может обеспечивать значения БПК в реальном времени. Кислород и нитраты мешают предпочтительным акцепторам электронов по сравнению с анодом, уменьшая генерацию тока от датчик MFC. MFC BOD занижает значения BOD в присутствии этих акцепторов электронов. Этого можно избежать, подавляя аэробное и нитратное дыхание в MFC с помощью ингибиторов терминальной оксидазы, таких как цианид и азид. Такие датчики БПК имеются в продаже.
ВМС США рассматривают возможность использования микробных топливных элементов для датчиков окружающей среды. Использование микробных топливных элементов для питания датчиков окружающей среды могло бы обеспечить питание за более длительные периоды и позволяют собирать и извлекать подводные данные без проводной инфраструктуры. Энергии, создаваемой этими топливными элементами, достаточно для поддержания работы датчиков после первоначального запуска. Из-за подводных условий (высокие концентрации соли, колебания температуры и ограниченное количество питательных веществ) ВМС могут использовать МФЦ со смесью солеустойчивых микроорганизмов. Смесь позволит более полно использовать доступные питательные вещества. Shewanella oneidensis является их основным кандидатом, но может включать других устойчивых к жаре и холоду видов Shewanella.
Был разработан первый автономный биосенсор BOD / COD с автономным питанием, позволяющий обнаруживать органические загрязнители в пресной воде. Датчик полагается только на мощность, вырабатываемую MFC, и работает непрерывно без обслуживания. Биосенсор включает сигнал тревоги, чтобы сообщить об уровне загрязнения: повышенная частота сигнала предупреждает о более высоком уровне загрязнения, а низкая частота сообщает о низком уровне загрязнения.
In 2010 г., A. ter Heijne et al. сконструировал устройство, способное производить электричество и восстанавливать ионы Cu до металлической меди.
Микробные электролизеры вырабатывают водород.
MFC используются при очистке воды для сбора энергии с использованием анаэробного сбраживания. Этот процесс также может уменьшить количество патогенов. Однако для этого требуются температуры выше 30 ° C и дополнительная ступень для преобразования биогаза в электричество. Спиральные прокладки могут использоваться для увеличения выработки электроэнергии за счет создания спирального потока в MFC. Масштабирование МФЦ является проблемой из-за проблем с выходной мощностью, связанных с большей площадью поверхности.
Большинство микробных клеток электрохимически неактивны. Переносу электронов от микробных клеток к электроду способствуют такие медиаторы, как тионин, метилвиологен, метиловый синий, гуминовый кислота и нейтральный красный. Большинство доступных медиаторов дороги и токсичны.
Растительный микробный топливный элемент (PMFC) Микробные топливные элементы без медиатора используют электрохимически активные бактерии для переноса электронов на электрод (электроны переносятся непосредственно от бактериального респираторного фермента к электрод). К электрохимически активным бактериям относятся Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila и другие. Некоторые бактерии способны передавать свою продукцию электронов через пили на своей внешней мембране. Безмедиаторные МФЦ менее хорошо охарактеризованы, например, штамм бактерий, используемых в системе, тип ионообменной мембраны и условия системы (температура, pH и т. Д.)
Микробные топливные элементы, не содержащие медиаторов, могут работать на сточных водах и получать энергию непосредственно от определенных растений и O 2. Эта конфигурация известна как микробный топливный элемент растений. Возможные растения: тростник душистый, кордегер, рис, томаты, люпин и водоросли. Учитывая, что энергия поступает от живых растений (производство энергии на месте), этот вариант может обеспечить экологические преимущества.
Одним из вариантов МФЦ без медиатора является ячейка для микробного электролиза (MEC). В то время как MFC производят электрический ток путем бактериального разложения органических соединений в воде, MEC частично обращают вспять процесс образования водорода или метана, подавая напряжение на бактерии. Это дополняет напряжение, генерируемое микробным разложением органических веществ, что приводит к электролизу воды или образованию метана. Полное изменение принципа MFC обнаружено в микробном электросинтезе, в котором углекислый газ восстанавливается бактериями с помощью внешнего электрического тока с образованием многоуглеродных органических соединений.
MFC на основе почвы Микробные топливные элементы на основе почвы соответствуют основным принципам MFC, в соответствии с которыми почва действует как анодная среда, богатая питательными веществами, посевной материал и протонообменная мембрана (PEM). анод размещается на определенной глубине в почве, в то время как катод опирается на поверхность почвы и подвергается воздействию воздуха.
Естественно почвы изобилуют разнообразными микробами, в том числе электрогенными бактериями, необходимыми для MFC, и полны сложных сахаров и других питательных веществ, которые накапливаются в результате разложения растений и животных.. Кроме того, аэробные (потребляющие кислород) микробы, присутствующие в почве, действуют как кислородный фильтр, во многом подобно дорогим материалам PEM, используемым в лабораторных системах MFC, которые вызывают окислительно-восстановительный потенциал почва уменьшаться с большей глубиной. Почвенные МФЦ становятся популярными образовательными инструментами для научных классов.
Осадочные микробные топливные элементы (SMFC) применялись для очистки сточных вод. Простые SMFC могут генерировать энергию при обеззараживании сточных вод. Большинство таких SMFC содержат растения, имитирующие построенные водно-болотные угодья. К 2015 году тесты SMFC достигли более 150 литров.
В 2015 году исследователи анонсировали приложение SMFC, которое извлекает энергию и заряжает аккумулятор. Соли диссоциируют на положительно и отрицательно заряженные ионы в воде, перемещаются и прилипают к соответствующим отрицательным и положительным электродам, заряжая аккумулятор и делая возможным удаление соли, вызывая микробное емкостное опреснение. Микробы производят больше энергии, чем требуется для процесса опреснения. В 2020 году в рамках европейского исследовательского проекта была достигнута переработка морской воды в пресную воду для потребления человеком с потреблением энергии около 0,5 кВтч / м3, что на 85% меньше текущего потребление энергии соответствует современным технологиям опреснения. Кроме того, биологический процесс, в результате которого получают энергию, одновременно очищает остаточную воду для ее сброса в окружающую среду или повторного использования в сельскохозяйственных / промышленных целях. Это было достигнуто в инновационном центре опреснения воды, который Aqualia открыл в Дении, Испания, в начале 2020 года.
Фототрофная биопленка MFC (ner) использует фототрофную биопленку анод, содержащий фотосинтетические микроорганизмы, такие как chlorophyta и candyanophyta. Они осуществляют фотосинтез и, таким образом, производят органические метаболиты и отдают электроны.
Одно исследование показало, что PBMFC демонстрируют плотность энергии, достаточную для практического применения.
Подкатегория фототрофные МФЦ, которые используют чисто кислородный фотосинтетический материал на аноде, иногда называют биологическими фотоэлектрическими системами.
Лаборатория военно-морских исследований США разработали микробные топливные элементы с нанопористой мембраной, которые используют не-PEM для создания пассивной диффузии внутри элемента. Мембрана представляет собой непористый полимерный фильтр (нейлон, целлюлозу или поликарбонат ). Он предлагает плотность мощности, сопоставимую с Nafion (хорошо известный PEM), с большей прочностью. Пористые мембраны обеспечивают пассивную диффузию, тем самым уменьшая необходимую мощность, подаваемую на MFC, чтобы поддерживать PEM активным и увеличивая общий выход энергии.
MFC, которые не используют мембрану, могут распространять анаэробные бактерии в аэробной среде. Однако безмембранные МФЦ подвергаются катодному загрязнению аборигенными бактериями и микробами, обеспечивающими питание. Новая пассивная диффузия нанопористых мембран может обеспечить преимущества безмембранного МФЦ, не беспокоясь о загрязнении катода.
Нанопористые мембраны также в одиннадцать раз дешевле, чем нафион (нафион-117, 0,22 долл. / См по сравнению с поликарбонатом, <$0.02/cm).
мембраны из ПЭМ можно заменить керамическими материалами. Стоимость керамической мембраны может составлять всего $ 5,66 / м. Макропористая структура керамических мембран обеспечивает хороший перенос ионных частиц.
Материалы, которые успешно используются в керамических МФЦ, - это фаянс, оксид алюминия, муллит, пирофиллит и терракота.
Когда микроорганизмы потребляют такое вещество, как сахар в аэробных условиях они производят диоксид углерода и воду. Однако, когда кислород отсутствует, они производят диоксид углерода, гидроны (ионы водорода ) и электроны, как описано ниже:
| C12H22O11+ 13H 2 O → 12CO 2 + 48H + 48e | (уравнение 1) |
Микробные топливные элементы используют неорганические медиаторы, чтобы задействовать электронная транспортная цепь клеток и образованных электронов каналов. Медиатор проникает через наружные клеточные липидные мембраны и бактериальные наружные мембраны ; затем он начинает высвобождать электроны из цепи переноса электронов, которые обычно поглощаются кислородом или другими промежуточными продуктами.
Теперь восстановленный медиатор покидает ячейку, нагруженную электронами, которые он переносит на электрод; этот электрод становится анодом. Освобождение электронов возвращает медиатор в его первоначальное окисленное состояние, и этот процесс можно повторить. Это может произойти только в анаэробных условиях ; если присутствует кислород, он будет собирать электроны, так как он имеет большую электроотрицательность.
В режиме MFC анод является конечным акцептором электронов, распознаваемым бактериями в анодной камере. Следовательно, микробная активность сильно зависит от окислительно-восстановительного потенциала анода. Кривая Михаэлиса-Ментен была получена между анодным потенциалом и выходной мощностью МФЧ, управляемого ацетатом. Критический анодный потенциал, по-видимому, обеспечивает максимальную выходную мощность.
Потенциальные медиаторы включают природный красный, метиленовый синий, тионин и резоруфин.
Организмы, способные вырабатывать электрический ток, называются экзоэлектрогенами.. Чтобы превратить этот ток в полезное электричество, экзоэлектрогены должны быть размещены в топливном элементе.
Медиатор и микроорганизм, такой как дрожжи, смешивают вместе в растворе, к которому добавлен субстрат, такой как глюкоза. Эта смесь помещается в герметичную камеру, чтобы остановить проникновение кислорода, тем самым заставляя микроорганизм выполнять анаэробное дыхание. В раствор помещается электрод, который действует как анод.
Во второй камере MFC находится еще один раствор и положительно заряженный катод. Это эквивалент приемника кислорода в конце цепи переноса электронов вне биологической клетки. Раствор представляет собой окислитель , который улавливает электроны на катоде. Как и в случае электронной цепи в дрожжевой клетке, это могут быть различные молекулы, такие как кислород, хотя более удобным вариантом является твердый окислитель, который требует меньшего объема. O 2 или твердый окислитель обеспечивает большую часть химической энергии, приводящей в действие элемент.
Два электрода соединяются проволокой (или другим токопроводящим путем). Завершает цепь и соединяет две камеры солевой мостик или ионообменную мембрану. Эта последняя особенность позволяет производить протоны, как описано в Ур. 1, для перехода из анодной камеры в катодную камеру.
Восстановленный медиатор переносит электроны от ячейки к электроду. Здесь медиатор окисляется, поскольку он откладывает электроны. Затем они текут по проводу ко второму электроду, который действует как сток электронов. Отсюда они переходят в окислитель. Также ионы / протоны водорода перемещаются от анода к катоду через протонообменную мембрану, такую как Nafion. Они перейдут к более низкому градиенту концентрации и объединятся с кислородом, но для этого им понадобится электрон. Это генерирует ток, а водород используется для поддержания градиента концентрации.
Биомасса водорослей дает высокую энергию при использовании в качестве субстрата в микробных топливных элементах.
Энергетический портал 
Портал возобновляемой энергии 