پیل سوختی میکروبی
پیل سوختی میکروبی () یا پیل سوختی بیولوژیکی (biological fuel cell) یک سیستم بیوالکتروشیمیایی است که با تقلید از فعالیت باکتری‌ها که در طبیعت انجام می‌شود تولید جریان الکتریکی می‌کنند.
سلول سوختی میکروبی (MFC) نوعی از سیستم سلول های سوختی بیوالکروشیمیایی است که جریان الکتریکی را با منحرف کردن الکترون های تولید شده از اکسیداسیون میکروبی ترکیبات کاهش یافته (که با نام سوخت یا اهداکننده الکترون نیز شناخته می شود) بر روی آند به ترکیبات اکسیدکننده (که به عامل اکسیدکننده یا قبول کننده الکترون نیز معروف است) بر روی کاتد از طریق یک مدار الکتریکی خارجی تولید می کند.
MFCها را می توان به دو دسته کلی تقسیم کرد: واسطه و بدون واسطه. اولین MFCها که در اوایل قرن بیستم به نمایش درآمدند، از یک واسطه استفاده کردند: یک ماده شیمیایی که الکترون ها را از باکتری های موجود در سلول به آند منتقل می کند. MFCهای بدون واسطه در دهه ۱۹۷۰ ظهور کردند. در این نوع MFC، باکتری‌ها معمولاً دارای پروتئین‌های ردوکس فعال الکتروشیمیایی مانند سیتوکروم‌ها بر روی غشای خارجی خود هستند که می‌توانند الکترون‌ها را مستقیماً به آند منتقل کنند. در قرن بیست و یکم، MFCها شروع به استفاده تجاری در تصفیه فاضلاب کردند.
ایده استفاده از میکروب ها برای تولید برق در اوایل قرن بیستم مطرح شد. مایکل کرسه پاتر این موضوع را در سال ۱۹۱۱ آغاز کرد. پاتر موفق به تولید الکتریسیته از ساکارومایسس سرویزیه شد، اما این کار پوشش کمی داشت. در سال ۱۹۳۱، بارنت کوهن نیم پیل های سوختی میکروبی ایجاد کرد که وقتی به صورت سری به هم متصل می شدند، قادر به تولید بیش از ۳۵ ولت تنها با جریان ۲ میلی آمپر بودند.
در اواخر دهه ۱۹۷۰، اطلاعات کمی در مورد نحوه عملکرد سلول های سوختی میکروبی وجود داشت. این مفهوم توسط رابین آلن و بعدها توسط پیتر بنتو مورد مطالعه قرار گرفت. مردم پیل سوختی را به عنوان روشی ممکن برای تولید برق برای کشورهای در حال توسعه دیدند. کار بنتو، که از اوایل دهه ۱۹۸۰ شروع شد، به درک درستی از نحوه عملکرد پیل‌های سوختی کمک کرد و بسیاری او را به عنوان اصلی‌ترین مرجع این موضوع می‌دانستند.
در ماه می سال ۲۰۰۷ دانشگاه کوئینزلند استرالیا نمونه اولیه MFC را به عنوان تلاشی مشترک با یک شرکت نوشیدنی استرالیایی( Foster's Brewing )تکمیل کرد. نمونه اولیه، طراحی ۱۰ لیتری فاضلاب کارخانه آبجوسازی به دی اکسید کربن، آب تمیز و برق بود. این گروه برنامه‌هایی برای ایجاد مدلی در مقیاس آزمایشی برای کنفرانس بین‌المللی انرژی زیستی آینده داشت.
پیل سوختی میکروبی (MFC) وسیله ای است که انرژی شیمیایی را با عمل میکروارگانیسم ها به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. این سلول های الکتروشیمیایی با استفاده از بیوآند و/یا بیوکاتد ساخته می شوند. اکثر MFCها حاوی غشایی برای جدا کردن بخش های آند (محل اکسیداسیون) و کاتد (محل احیاء) هستند. الکترون های تولید شده در طی اکسیداسیون مستقیماً به یک الکترود یا یک گونه واسطه اکسایش-کاهش( ردوکس ) منتقل می شوند. شار الکترون به کاتد منتقل می شود و تعادل بار سیستم با حرکت یونی در داخل سلول، معمولاً در سراسر یک غشای یونی حفظ می شود. اکثر MFCها از یک الکترون دهنده آلی استفاده می کنند که برای تولید CO، پروتون ها و الکترون ها اکسید می شود. واکنش کاتدی از انواع گیرنده های الکترون، اغلب از اکسیژن (O) استفاده می کند. سایر گیرنده های الکترون مورد مطالعه شامل بازیابی فلز از طریق احیا، آب به هیدروژن، احیای نیترات، و احیای سولفات است.
MFCها برای کاربردهای تولید برق که فقط به انرژی کم نیاز دارند جذاب هستند اما در جاهایی که جایگزینی باتری‌ها ممکن است غیرعملی باشد، مانند شبکه‌های حسگر بی‌سیم. حسگرهای بی‌سیم، که توسط سلول‌های سوختی میکروبی تغذیه می‌شوند، می‌توانند برای مثال برای نظارت از راه دور (محافظت) استفاده شوند.
تقریباً هر ماده آلی می تواند برای تغذیه پیل سوختی استفاده شود، از جمله سلول های جفت کننده به تصفیه خانه های فاضلاب. فاضلاب فرآیندهای شیمیایی و فاضلاب مصنوعی برای تولید بیوالکتریسیته در MFCها استفاده شده است.
MFCها می توانند در مقیاس کوچک کار کنند. الکترودها در برخی موارد فقط باید ۷ میکرومتر ضخامت و ۲ سانتی متر طول داشته باشند، به طوری که یک MFC می تواند جایگزین باتری شود. این انرژی تجدید پذیر را فراهم می کند و نیازی به شارژ مجدد ندارد.
MFCها در شرایط ملایم، بین ۲۰ تا ۴۰ درجه سانتیگراد و همچنین در pH حدود ۷ به خوبی عمل می کنند. آنها فاقد ثبات لازم برای کاربردهای پزشکی طولانی مدت مانند ضربان ساز هستند.
نیروگاه ها می توانند بر پایه گیاهان آبی مانند جلبک ها ساخته شوند، اگر در مجاورت یک سیستم برق موجود قرار گیرد. سیستم MFC می تواند خطوط برق خود را به اشتراک بگذارد و برق مورد نیاز را تامین کند.
پیل‌های سوختی میکروبی مبتنی بر خاک به عنوان ابزار آموزشی عمل می‌کنند، زیرا شامل چندین رشته علمی (میکروبیولوژی، ژئوشیمی، مهندسی برق و غیره) می‌شوند و می‌توانند با استفاده از مواد معمول در دسترس مانند خاک‌ها ساخته شوند. کیت‌هایی برای پروژه‌های علوم خانگی و کلاس‌های درس موجود است. یکی از نمونه‌هایی از سلول‌های سوختی میکروبی که در کلاس درس استفاده می‌شود، در برنامه درسی IBET (بیولوژی، انگلیسی و فناوری یکپارچه) برای دبیرستان علوم و فناوری توماس جفرسون است. چندین ویدئو و مقاله آموزشی نیز در مورد انجمن بین المللی الکتروشیمی و فناوری میکروبی (انجمن ISMET) موجود است.
جریان تولید شده از پیل سوختی میکروبی به طور مستقیم با محتوای مواد آلی فاضلاب مورد استفاده، به عنوان سوخت مناسب است. MFCها می توانند غلظت املاح فاضلاب را اندازه گیری کنند.
نیروی دریایی ایالات متحده در حال بررسی سلول های سوختی میکروبی برای حسگرهای محیطی است. استفاده از پیل‌های سوختی میکروبی برای تامین انرژی حسگرهای محیطی می‌تواند انرژی را برای مدت طولانی‌تری تامین کند و امکان جمع‌آوری و بازیابی داده‌های زیردریایی را بدون زیرساخت سیمی و سیم کشی شده فراهم کند. انرژی ایجاد شده توسط این سلول های سوختی برای حفظ حسگرها پس از یک زمان راه اندازی اولیه کافی است. به دلیل شرایط زیر دریا (غلظت نمک بالا، دماهای نوسان و تامین مواد مغذی محدود)، نیروی دریایی ممکن است MFCها را با مخلوطی از میکروارگانیسم‌های مقاوم به نمک مستقر کند. یک مخلوط امکان استفاده کامل تر از مواد مغذی موجود را فراهم می کند.
حسگرهای زیستی امکان شناسایی آلاینده های آلی در آب شیرین را فراهم می کنند. سنسور فقط به توان تولید شده توسط MFCها متکی است و به طور مداوم بدون تعمیر و نگهداری کار می کند. بیوسنسور زنگ هشدار را روشن می کند تا سطح آلودگی اطلاع داده شود.
در سال ۲۰۱۰ دستگاهی ساخته شد که قادر به تولید الکتریسیته و کاهش یونهای Cu به فلز مس است. سلول های الکترولیز میکروبی برای تولید هیدروژن نشان داده شده است.
MFCها در تصفیه آب برای برداشت انرژی با استفاده از هضم بی هوازی استفاده می شوند. این فرآیند همچنین می تواند عوامل بیماری زا را کاهش دهد. با این حال، به دمای بالاتر از ۳۰ درجه سانتیگراد نیاز دارد و برای تبدیل بیوگاز به برق نیاز به یک مرحله اضافی دارد. ممکن است از اسپیسرهای اسپیرال( Spiral spacers ) برای افزایش تولید الکتریسیته با ایجاد یک جریان مارپیچ در MFC استفاده شود. مقیاس بندی MFC ها به دلیل چالش های توان خروجی در یک سطح بزرگتر یک چالش است.
اکثر سلول های میکروبی از نظر الکتروشیمیایی غیر فعال هستند. انتقال الکترون از سلول‌های میکروبی به الکترود توسط واسطه‌هایی مانند تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، و هیومیک اسید تسهیل می‌شود. اکثر واسطه های موجود گران و سمی هستند.
سلول های سوختی میکروبی بدون واسطه از باکتری های فعال الکتروشیمیایی برای انتقال الکترون ها به الکترود استفاده می کنند (الکترون ها مستقیماً از آنزیم تنفسی باکتری به الکترود منتقل می شوند). از جمله باکتری های فعال الکتروشیمیایی می توان به Shewanella putrefaciens ،Aeromonas hydrophila و دیگران اشاره کرد. برخی از باکتری ها قادرند تولید الکترون خود را از طریق پیلی روی غشای خارجی خود انتقال دهند. MFC های بدون واسطه کمتر مشخص می شوند.
سلول های سوختی میکروبی بدون واسطه می توانند روی فاضلاب کار کنند و انرژی را مستقیماً از گیاهان خاص و O دریافت کنند. این پیکربندی به عنوان پیل سوختی میکروبی گیاهی شناخته می شود. گیاهان احتمالی عبارتند از ، ، برنج، گوجه فرنگی، لوپین و جلبک. با توجه به اینکه نیرو از گیاهان زنده (تولید انرژی در محل) گرفته می شود، این نوع می تواند مزایای اکولوژیکی را ارائه دهد.
یکی از انواع MFC بدون واسطه، سلول الکترولیز میکروبی (MEC) است. در حالی که MFC ها با تجزیه باکتریایی ترکیبات آلی در آب، جریان الکتریکی تولید می کنند، MEC ها تا حدی فرآیند تولید هیدروژن یا متان را با اعمال ولتاژ به باکتری ها معکوس می کنند. این مکمل ولتاژ تولید شده توسط تجزیه میکروبی مواد آلی است که منجر به الکترولیز آب یا تولید متان می شود. یک معکوس کامل از اصل MFC در الکتروسنتز میکروبی یافت شده، که در آن دی اکسید کربن توسط باکتری ها با استفاده از جریان الکتریکی خارجی برای تشکیل ترکیبات آلی چند کربنه کاهش می یابد.
سلول های سوختی میکروبی مبتنی بر خاک به اصول اولیه MFC پایبند هستند. به موجب آن خاک به عنوان محیط آندی غنی از مواد مغذی و غشای تبادل پروتون (PEM) عمل می کند. آند در عمق خاصی در خاک قرار می گیرد، در حالی که کاتد روی خاک قرار دارد و در معرض هوا قرار می گیرد.
خاک‌ها به طور طبیعی مملو از میکروب‌های مختلف، از جمله باکتری‌های الکتروژنی مورد نیاز برای MFC هستند، و مملو از قندهای پیچیده و سایر مواد مغذی هستند که از تجزیه مواد گیاهی و حیوانی انباشته شده‌اند. علاوه بر این، میکروب های هوازی (مصرف کننده اکسیژن) موجود در خاک به عنوان یک فیلتر اکسیژن عمل می کنند، مانند مواد گران قیمت PEM که در سیستم های MFC آزمایشگاهی استفاده می شود، که باعث می شود پتانسیل ردوکس خاک با عمق بیشتر کاهش یابد. MFCهای مبتنی بر خاک در حال تبدیل شدن به ابزار آموزشی محبوب برای کلاس های درس علوم هستند.
سلول های سوختی میکروبی رسوبی (SMFCs) برای تصفیه فاضلاب استفاده شده است. SMFC های ساده می توانند انرژی تولید کنند در حالی که فاضلاب را بی خطر می کنند. بیشتر این گونه SMFC ها حاوی گیاهانی برای تقلید از تالاب های ساخته شده هستند. در سال ۲۰۱۵، آزمایش‌های SMFC به بیش از ۱۵۰ لیتر رسیده بود.
در سال ۲۰۱۵ محققان یک برنامه کاربردی SMFC را معرفی کردند که انرژی را استخراج کرده و باتری را شارژ می کند. نمک ها به یون های دارای بار مثبت و منفی در آب تجزیه می شوند و حرکت می کنند و به الکترودهای منفی و مثبت مربوطه می چسبند و باتری را شارژ می کنند و حذف نمک موثر بر نمک زدایی خازنی میکروبی را ممکن می سازند. میکروب‌ها انرژی بیشتری نسبت به فرآیند نمک‌زدایی تولید می‌کنند. در سال ۲۰۲۰، یک پروژه تحقیقاتی اروپایی به تصفیه آب دریا به آب شیرین برای مصارف انسانی با مصرف انرژی در حدود ۰.۵ کیلووات ساعت بر متر مکعب دست یافت که نشان دهنده کاهش ۸۵ درصدی مصرف انرژی فعلی با توجه به فناوری های پیشرفته نمک زدایی است. علاوه بر این، فرآیند بیولوژیکی که از آن انرژی به طور همزمان به دست می آید، آب باقیمانده را برای تخلیه آن در محیط زیست یا استفاده مجدد در مصارف کشاورزی/صنعتی تصفیه می کند. این امر در یک مرکز نوآوری نمک‌زدایی واقع در اسپانیا به دست آمده است.
MFCهای بیوفیلم فوتوتروفیک (Phototrophic biofilm) از آند بیوفیلم فوتوتروف حاوی میکروارگانیسم های فتوسنتزی مانند کلروفیتا و کندیانوفیتا استفاده می کنند. آنها فتوسنتز را انجام می دهند و بنابراین متابولیت های آلی تولید می کنند و الکترون اهدا می کنند.
زیرمجموعه MFCهای فوتوتروف که از مواد فتوسنتزی خالص اکسیژنی در آند استفاده می کنند، گاهی اوقات سیستم های فتوولتائیک بیولوژیکی نامیده می شوند.
آزمایشگاه تحقیقاتی نیروی دریایی ایالات متحده سلول های سوختی میکروبی غشایی نانومتخلخل را توسعه داد که از یک غیر PEM برای ایجاد انتشار غیرفعال در داخل سلول استفاده می کنند. غشا یک فیلتر پلیمری غیر متخلخل (نایلون، سلولز یا پلی کربنات) است.
غشاهای متخلخل به انتشار غیرفعال اجازه می دهند و در نتیجه توان لازم برای MFC را کاهش می دهند تا PEM را فعال نگه دارند و کل انرژی خروجی را افزایش دهند.
غشاهای PEM را می توان با مواد سرامیکی جایگزین کرد. ساختار درشت متخلخل غشاهای سرامیکی امکان انتقال مناسب گونه های یونی را فراهم می کند.
موادی که به طور موفقیت آمیزی در MFC های سرامیکی به کار گرفته شده اند عبارتند از سفال، آلومینا، پیروفیلیت، مولیت و سفالین.
هنگامی که میکروارگانیسم ها ماده ای مانند قند را در شرایط هوازی مصرف می کنند، دی اکسید کربن و آب تولید می کنند. با این حال، هنگامی که اکسیژن وجود ندارد، دی اکسید کربن، هیدرون ها (یون های هیدروژن) و الکترون تولید می کنند، همانطور که در زیر توضیح داده شده است: CHO + 13HO → 12CO + 48H + 48e
پیل‌های سوختی میکروبی از واسطه‌های غیرآلی برای ضربه زدن به زنجیره انتقال الکترون سلول‌ها و الکترون‌های کانال تولید شده استفاده می‌کنند. واسطه از غشاهای لیپیدی سلولی و غشای خارجی باکتری عبور می کند. سپس شروع به آزاد کردن الکترون از زنجیره انتقال الکترون می کند که معمولاً توسط اکسیژن یا سایر واسطه ها گرفته می شود.
واسطه ای که اکنون کاهش یافته است از سلول مملو از الکترون خارج می شود. این الکترود به آند تبدیل می شود. آزاد شدن الکترون‌ها، واسطه را به حالت اکسید شده اولیه خود بازیافت می‌کند. این فقط در شرایط بی هوازی می تواند اتفاق بیفتد. اگر اکسیژن وجود داشته باشد، الکترون ها را جمع آوری می کند، زیرا الکترونگاتیوی بیشتری دارد.
در عملیات MFC، آند گیرنده الکترون پایانی است که توسط باکتری ها در محفظه آندی شناسایی می شود. بنابراین، فعالیت میکروبی به شدت به پتانسیل ردوکس آند وابسته است.
ارگانیسم هایی که قادر به تولید جریان الکتریکی هستند، اگزوالکتروژن نامیده می شوند. برای تبدیل این جریان به الکتریسیته قابل استفاده، اگزوالکتروژن ها باید در یک پیل سوختی قرار گیرند.
واسطه و یک میکروارگانیسم مانند مخمر در محلولی که به آن بستری مانند گلوکز اضافه می شود با هم مخلوط می شوند. این مخلوط در یک محفظه مهر و موم شده قرار می گیرد تا از ورود اکسیژن جلوگیری کند و در نتیجه میکروارگانیسم را مجبور به انجام تنفس بی هوازی کند. یک الکترود در محلول قرار می گیرد تا به عنوان آند عمل کند.
در محفظه دوم MFC محلول دیگری و کاتد با بار مثبت است. محلول یک عامل اکسید کننده است که الکترون ها را در کاتد می گیرد. مانند زنجیره الکترونی در سلول مخمر، این می تواند انواع مختلفی از مولکول ها مانند اکسیژن باشد، اگرچه گزینه راحت تر یک عامل اکسید کننده جامد است که به حجم کمتری نیاز دارد.
واسطه کاهش یافته الکترون ها را از سلول به الکترود می برد. در اینجا واسطه با رسوب الکترون ها اکسید می شود. اینها سپس در سراسر سیم به سمت الکترود دوم جریان می یابند که به عنوان یک فرورفتگی الکترون عمل می کند. از اینجا به یک ماده اکسید کننده منتقل می شوند. همچنین یون ها/پروتون های هیدروژن از آند به کاتد منتقل می شوند. آنها به سمت گرادیان غلظت پایین تر حرکت می کنند و با اکسیژن ترکیب می شوند، اما برای انجام این کار به یک الکترون نیاز دارند که جریان آن را تولید می کند و هیدروژن برای حفظ گرادیان غلظت استفاده می شود.
مشاهده شده است که زیست توده جلبکی هنگامی که به عنوان بستر در پیل سوختی میکروبی استفاده می شود انرژی بالایی می دهد.