Введение

Биоэлектрохимическая система Микробиологический топливный элемент (МЭК) - это тип биоэлектрохимической топливной системы, также известной как микро топливный элемент, который генерирует электрический ток путем перенаправления электронов, полученных от микробного окисления уменьшенных соединений (также известных как топливо или электронный донор) на аноде, в окисленные соединения, такие как кислород (также известный как окислитель или приемник электронов) на катоде через внешнюю электрическую цепь. МФК производят электричество, используя электроны, полученные в результате биохимических реакций, каталитируемых бактериями. Комплексная биотехнология (третье издание) МФК можно сгруппировать в две общие категории: опосредованные и опосредованные. Первые МФК, продемонстрированные в начале 20-го века, использовали медиатор: химическое вещество, которое передает электроны от бактерий в клетке к аноду. Непосреднические МФК появились в 1970-х годах; в этом типе МФК бактерии обычно имеют электрохимически активные окислительно-восстановительные белки, такие как цитохромы, на внешней мембране, которые могут передавать электроны непосредственно на анод. В XXI веке МФК начали использоваться в коммерческих целях в очистке сточных вод.

История

Идея использовать микробы для производства электричества возникла в начале двадцатого века. Майкл Крессе Поттер начал эту тему в 1911 году. Поттеру удалось генерировать электричество из Saccharomyces cerevisiae, но работа получила мало освещения. В 1931 году Барнетт Коэн создал микробиологические полутопливные элементы, которые, при соединении в серии, способны производить более 35 вольт с током всего 2 миллиампера. Исследование ДельДука и др. использовался водород, полученный ферментацией глюкозы Clostridium butyricum в качестве реагента на аноде водородно-воздушного топливного элемента. Хотя клетка функционировала, она была ненадежной из-за нестабильной природы производства водорода микроорганизмами. Этот вопрос был решен Suzuki et al. в 1976 году, который год спустя создал успешный дизайн MFC. В конце 1970-х годов мало что было известно о том, как функционируют микробные топливные элементы. Концепция была изучена Робином М. Алленом, а позже и Х. Питером Беннетто. Люди видели топливные элементы как возможный метод производства электроэнергии для развивающихся стран. Работа Беннетто, начавшаяся в начале 1980-х годов, помогла понять, как работают топливные элементы, и многие считали его главным авторитетом в этой области. В мае 2007 года Университет Квинсленда в Австралии завершил прототип MFC в рамках сотрудничества с Foster's Brewing. Прототип, 10 литровый, превращал пивоваренные сточные воды в углекислый газ, чистую воду и электричество. Группа планировала создать пилотную модель для предстоящей международной конференции по биоэнергетике.

Определение

Микробный топливный элемент (МТК) - это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую энергию при помощи микроорганизмов. Эти электрохимические элементы построены с использованием биоанода и/или биокатода. Большинство МФК содержат мембрану для разделения отсеков анода (где происходит окисление) и катода (где происходит редукция). Электроны, полученные во время окисления, переносятся непосредственно на электроды или на виды медиаторов окисления. Поток электронов перемещается к катоду. Баланс заряда системы поддерживается ионным движением внутри клетки, обычно через ионную мембрану. Большинство МФК используют органический донор электронов, который окисляется для получения CO2, протонов и электронов. Были сообщены и другие доноры электронов, такие как соединения серы или водорода. В реакции катода используются различные электронные акцепторы, чаще всего кислород (O2). Другие изученные приемники электронов включают в себя восстановление металла путем редукции, превращение воды в водород, редукцию нитратов и редукцию сульфатов.

Производство электроэнергии

MFC привлекательны для применения в производстве электроэнергии, требующей только низкой мощности, но где замена батарей может быть непрактичной, например, для беспроводных сенсорных сетей. Беспроводные датчики, работающие на микробиологических топливных элементах, могут, например, использоваться для дистанционного мониторинга (консервации). Для питания топливных элементов можно использовать практически любой органический материал, включая соединительные элементы для очистных сооружений. Химические сточные воды и синтетические сточные воды использовались для производства биоэлектричества в двухместных и однокамерных медиаторах без МФК (непокрытых графитовых электродов). Высокая выработка энергии наблюдалась при использовании графитового анода, покрытого биофильмом. Выбросы топливных элементов значительно ниже нормативных пределов. MFC преобразуют энергию более эффективно, чем стандартные двигатели внутреннего сгорания, которые ограничены эффективностью Карно. В теории, MFC способна обеспечить энергоэффективность намного выше 50%. Разендал производит водород с использованием в 8 раз меньшего количества энергии, чем при обычных технологиях производства водорода. Кроме того, МФК могут работать в меньших масштабах. В некоторых случаях электроды должны быть толщиной 7 мкм и длиной 2 см, чтобы МФК мог заменить батарею. Она обеспечивает возобновляемую форму энергии и не нуждается в подзарядке. МФК хорошо работают в умеренных условиях, от 20 °C до 40 °C и при рН около 7, но не имеют стабильности, необходимой для долгосрочных медицинских применений, таких как кардиостимуляторы. Электростанции могут быть основаны на водных растениях, таких как водоросли. Если система МФК расположена рядом с существующей энергосистемой, она может использовать свои линии электроснабжения.

Образование

Микробные топливные элементы на основе почвы служат образовательными инструментами, поскольку они охватывают несколько научных дисциплин (микробная биология, геохимия, электротехника и т. Д.). и может быть сделано с использованием обычно доступных материалов, таких как почва и предметы из холодильника. Есть наборы для домашних научных проектов и для классов. "

Биосенсор

Ток, генерируемый микробиологическим топливным элементом, прямо пропорционален содержанию органических веществ в сточных водах, используемых в качестве топлива. МФК могут измерять концентрацию растворенных веществ в сточных водах (например, в качестве биосенсора). Обычно сточные воды оцениваются по их биохимическим значениям потребности в кислороде (БОД). Значения BOD определяются путем инкубации образцов в течение 5 дней с надлежащим источником микробов, обычно активированным шламом, собранным на сточных водах. Датчик BOD типа MFC может предоставлять значения BOD в режиме реального времени. Кислород и нитраты мешают предпочтительным электронным приемникам над анодом, уменьшая генерацию тока от МФК. Поэтому датчики МФК ДОК недооценивают значения ДОК в присутствии этих электронных приемников. Этого можно избежать, ингибируя аэробное и нитратное дыхание в МФК с использованием терминальных ингибиторов окислительной ферменции, таких как цианид и азид. Такие датчики BOD доступны в продаже. ВМС США рассматривают возможность использования микробиологических топливных элементов для экологических датчиков. Использование микробиологических топливных элементов для питания датчиков окружающей среды может обеспечить питание в течение более длительных периодов и позволить собирать и извлекать подводные данные без подключенной инфраструктуры. Энергии, созданной этими топливными элементами, достаточно для поддержания датчиков после первоначального времени запуска. В связи с условиями подводного мира (высокая концентрация соли, колебания температур и ограниченное количество питательных веществ) ВМС могут использовать МФК с смесью солестойких микроорганизмов, которые позволили бы более полно использовать имеющиеся питательные вещества. Shewanella oneidensis является их основным кандидатом, но могут быть включены и другие терпимые к теплу и холоду Shewanella spp. Разработан первый автономный биосенсор BOD/COD, который позволяет обнаруживать органические загрязнители в пресной воде. Датчик зависит только от мощности, производимой МФК, и работает непрерывно без обслуживания. Он включает сигнализацию для информирования о уровне загрязнения: повышенная частота сигнала предупреждает о более высоком уровне загрязнения, в то время как низкая частота информирует о низком уровне загрязнения.

Биовосстановление

В 2010 году A. ter Heijne et al. Создал устройство, способное производить электричество и превращать ионы Cu2+ в медной металл. Было показано, что микробиологические электролизные ячейки производят водород.

Очистка сточных вод

МФК используются в водоочистке для получения энергии с использованием анаэробного переваривания. Этот процесс также может уменьшить количество патогенных микроорганизмов. Однако для этого требуются температуры выше 30 градусов по Цельсию и дополнительный шаг для преобразования биогаза в электричество. Спиральные дистанционные устройства могут использоваться для увеличения выработки электроэнергии путем создания спирального потока в МФК. Масштабирование MFC является проблемой из-за проблем выхода мощности на большую площадь поверхности.

Посредничество

Большинство микробных клеток неактивны в электрохимическом отношении. Передача электронов от микробных клеток к электроду облегчается медиаторами, такими как тионин, пиоцианин, метилвиоген, метилголубое, гуминовая кислота и нейтральный красный. Большинство доступных медиаторов дорогие и токсичны.

Без посредников

Микробные топливные элементы без медиаторов используют электрохимически активные бактерии, такие как Shewanella putrefaciens и Aeromonas hydrophila, для передачи электронов непосредственно от бактериального респираторного фермента к электроду. Некоторые бактерии способны передавать свою электронную продукцию через пили на своей внешней мембране. МФК без медиаторов менее хорошо характеризуются, например, штамм бактерий, используемых в системе, тип ионообменной мембраны и условия системы (температура, рН и т. д.). Микробные топливные элементы без медиаторов могут работать на сточных водах и получать энергию непосредственно из определенных растений и O2. Эта конфигурация известна как растительный микробный топливный элемент. Возможные растения включают тростниковую траву, кордграсс, рис, помидоры, люпины и водоросли. Учитывая, что энергия получается с использованием живых растений (производство энергии на месте), этот вариант может обеспечить экологические преимущества.

Микробный электролиз

Одним из вариантов медиатора без МФК является микробиологическая электролизная ячейка (МЭК). В то время как MFC производят электрический ток путем бактериального разложения органических соединений в воде, MEC частично обращают процесс вспять, чтобы генерировать водород или метан, применяя напряжение к бактериям. Это дополняет напряжение, генерируемое микробиологическим разложением органических веществ, что приводит к электролизу воды или производству метана. Полная обратная сторона принципа МФК встречается в микробиологическом электросинтезе, в котором углекислый газ уменьшается бактериями с помощью внешнего электрического тока для образования многоуглеродных органических соединений.

На почве

Микробные топливные элементы на почве соответствуют основным принципам МФК, при которых почва выступает в качестве анодной среды, богатой питательными веществами, инокулума и мембраны обмена протонами (ПЭМ). Анод помещается на определенной глубине в почве, в то время как катод находится на поверхности почвы и подвергается воздействию воздуха. В почвах естественным образом обитают разнообразные микробы, включая электрогенные бактерии, необходимые для МФК, и они полны сложных сахаров и других питательных веществ, которые накопились в результате распада растительного и животного материала. Кроме того, аэробные (потребляющие кислород) микробы, присутствующие в почве, действуют как кислородный фильтр, как и дорогие материалы PEM, используемые в лабораторных системах MFC, которые приводят к снижению окислительно-восстановительного потенциала почвы с большей глубиной. МФК на основе почвы становятся популярными образовательными инструментами для классов науки. Для очистки сточных вод применяются микробиологические топливные элементы (SMFC). Простые SMFC могут генерировать энергию при обеззараживании сточных вод. Большинство таких SMFC содержат растения, имитирующие построенные водно-болотные угодья. К 2015 году испытания SMFC достигли более 150 л. В 2015 году исследователи объявили о применении SMFC, которое извлекает энергию и заряжает батарею. Соли диссоциации в положительно и отрицательно заряженных ионов в воде и движение и придерживаются соответствующих отрицательных и положительных электродов, заряжая аккумулятор и позволяя удалить соль, оказывающую воздействие микробов емкостной опреснения. Микробы производят больше энергии, чем требуется для процесса опреснения. В 2020 году в рамках европейского исследовательского проекта удалось превратить морскую воду в пресную воду для потребления человеком с расходом энергии около 0,5 кВтч/м3, что на 85% сокращает текущее потребление энергии с учетом современных технологий опреснения. Кроме того, биологический процесс, с помощью которого получается энергия, одновременно очищает остаточную воду для ее сброса в окружающую среду или повторного использования в сельскохозяйственных/промышленных целях. Это было достигнуто в инновационном центре опреснения, который Aqualia открыла в Дениа, Испания, в начале 2020 года.

Фототрофная биофильм

Фототрофные биофильмовые МФК (ner) используют фототрофный биофильмовый анод, содержащий фотосинтезирующие микроорганизмы, такие как хлорофиты и кандианофиты. Они осуществляют фотосинтез и таким образом производят органические метаболиты и дарят электроны. Одно исследование показало, что ПБМФК обладают плотностью мощности, достаточной для практических применений. Подкатегория фототрофных МФК, которые используют чисто кислородный фотосинтетический материал на аноде, иногда называются биологическими фотоэлектрическими системами.

Нанопористые мембраны

В Научно-исследовательской лаборатории ВМС США разработаны нанопористые мембранные микробные топливные элементы, которые используют не-ПЭМ для генерации пассивной диффузии внутри клетки. Мембрана представляет собой непроницаемый полимерный фильтр (найлон, целлюлоза или поликарбонат). Он предлагает сопоставимые плотности мощности с Nafion (известный PEM) с большей долговечностью. Пористые мембраны позволяют пассивное рассеивание, тем самым уменьшая необходимую мощность, подаваемую в МФК, чтобы поддерживать активную PEM и увеличивать общую выходную энергию. МФК, которые не используют мембрану, могут распространять анаэробные бактерии в аэробной среде. Однако мембрана без МФК подвергается загрязнению катода местными бактериями и питающим микробом. Новая пассивная диффузия нанопористых мембран может обеспечить преимущества мембраны без MFC без опасений загрязнения катода. Нанопористые мембраны также в 11 раз дешевле, чем Nafion (Nafion 117, $ 0,22 / см2 против поликарбоната, < $ 0,02/ см2).

Керамическая мембрана

ПЭМ-мембраны можно заменить керамическими материалами. Цена керамических мембран может быть не ниже $5,66/м2. Макропорозная структура керамических мембран позволяет хорошо транспортировать ионные виды. Материалы, которые были успешно использованы в керамических МФК, - это керамика, глинозем, мулит, пирофилит и терракота.

Процесс генерации

Когда микроорганизмы потребляют такое вещество, как сахар, в аэробных условиях, они вырабатывают углекислый газ и воду. Однако, когда кислорода нет, они могут производить углекислый газ, гидроны (ионы водорода) и электроны, как описано ниже для сахарозы: Микробные топливные элементы используют неорганические медиаторы, чтобы подключиться к электронной транспортной цепи клеток и канализировать вырабатываемые электроны. Медиатор пересекает внешние клеточные липидные мембраны и внешнюю мембрану бактерий; затем он начинает освобождать электроны из цепи электронного транспорта, которые обычно будут захвачены кислородом или другими промежуточными веществами. Теперь уменьшенный медиатор выходит из ячейки, нагруженной электронами, которые он передает электроду; этот электрод становится анодом. Освобождение электронов возвращает медиатор в его первоначальное окисленное состояние, готовый повторить процесс. Это может произойти только в анаэробных условиях; если присутствует кислород, он будет собирать электроны, так как у него больше свободной энергии, чтобы освободить. Некоторые бактерии могут обойти использование неорганических медиаторов, используя специальные пути транспортировки электронов, известные как внеклеточный перенос электронов (ВПЭ). Пути EET позволяют микробу непосредственно уменьшать соединения за пределами клетки и могут использоваться для обеспечения прямой электрохимической связи с анодом. В MFC-операции анод является конечным электронным акцептором, распознаваемым бактериями в анодной камере. Поэтому микробная активность сильно зависит от redox-потенциала анода. Получена кривая Михаэлиса-Ментена между анодным потенциалом и выходной мощностью MFC с ацетатом. Критический анодный потенциал, кажется, обеспечивает максимальную выходную мощность. Потенциальные медиаторы включают в себя природный красный, метиленовый синий, тионин и ресоруфин. Организмы, способные производить электрический ток, называются экзоэлектрогенами. Для превращения этого тока в полезную электричество экзоэлектрогены должны быть размещены в топливном элементе. Посредник и микроорганизм, такой как дрожжи, смешиваются вместе в растворе, к которому добавляется субстрат, такой как глюкоза. Эта смесь помещается в герметичную камеру, чтобы предотвратить попадание кислорода, тем самым заставляя микроорганизм осуществлять анаэробное дыхание. В раствор помещают электрод, который выступает в качестве анода. Во второй камере МФК находится другой раствор и положительно заряженный катод. Это эквивалент кислородного резервуара в конце цепи транспорта электронов, внешнего от биологической клетки. Раствор - это окислитель, который поглощает электроны в катоде. Как и в случае с электронной цепью в клетке дрожжей, это могут быть различные молекулы, такие как кислород, хотя более удобным вариантом является твердый окислитель, который требует меньшего объема. Соединяющие два электрода - проволока (или другой электропроводящий путь). Завершает схему и соединяет две камеры соляный мост или мембрана ионного обмена. Эта последняя особенность позволяет протонам, произведенным, как описано в , пройти из анодной камеры в катодную камеру. Сниженный медиатор переносит электроны из ячейки к электроду. Здесь медиатор окисляется, поскольку откладывает электроны. Затем они перетекают через проволоку к второму электроду, который действует как поглотитель электронов. Отсюда они переходят в окисляющий материал. Также ионы/протоны водорода перемещаются из анода в катод через мембрану обмена протонами, такую как Nafion. Они перемещаются в нижний градиент концентрации и объединяются с кислородом, но для этого им нужен электрон. Это генерирует ток, и водород используется для поддержания градиента концентрации. Было замечено, что водорослевая биомасса дает высокую энергию, когда используется в качестве субстрата в микробных топливных элементах.

Применение в экологической рекультивации

Микробные топливные элементы (МФК) стали перспективными инструментами для восстановления окружающей среды из-за их уникальной способности использовать метаболическую активность микроорганизмов как для производства электроэнергии, так и для деградации загрязняющих веществ. МФК применяются в различных контекстах в области восстановления окружающей среды. Одно из основных применений - биоремедиация, где электроактивные микроорганизмы на аноде MFC активно участвуют в расщеплении органических загрязнителей, обеспечивая устойчивый и эффективный метод удаления загрязнителей. Кроме того, МФК играют важную роль в очистке сточных вод, одновременно генерируя электричество и повышая качество воды за счет микробиологического разложения загрязняющих веществ. Эти топливные элементы могут быть использованы на месте, что позволяет проводить непрерывную и автономную рекультивацию в загрязненных местах. Кроме того, их универсальность распространяется на микробиологические топливные элементы осадочных пород (SMFC), которые способны удалять тяжелые металлы и питательные вещества из осадков. Благодаря интеграции МФК с датчиками они позволяют осуществлять удаленный мониторинг окружающей среды в сложных местах. Применение микробиологических топливных элементов в экологической реабилитации подчеркивает их потенциал для преобразования загрязняющих веществ в возобновляемый источник энергии, в то же время активно способствуя восстановлению и сохранению экосистем.

Проблемы и достижения

Микробиальные топливные элементы (МТК) имеют значительный потенциал в качестве устойчивых и инновационных технологий, но они не лишены своих проблем. Одним из основных препятствий является оптимизация производительности МФК, которая остается сложной задачей из-за различных факторов, включая микробиологическое разнообразие, материалы электродов и конструкцию реактора. Разработка экономически эффективных и долговечных материалов для электродов представляет собой еще одно препятствие, поскольку оно напрямую влияет на экономическую жизнеспособность МФК в более крупном масштабе. Кроме того, масштабирование МФК для практических применений создает инженерные и логистические проблемы. Тем не менее, продолжающиеся исследования в области технологии микробиологических топливных элементов продолжают решать эти проблемы. Ученые активно изучают новые материалы для электродов, улучшают микробные сообщества для повышения эффективности и оптимизируют конфигурации реакторов. Кроме того, достижения в области синтетической биологии и генной инженерии открыли возможности для разработки индивидуальных микробов с расширенными возможностями передачи электронов, расширяя границы производительности MFC. Сотрудничество между многопрофильными областями также способствует более глубокому пониманию механизмов МФК и расширению их потенциальных применений в таких областях, как очистка сточных вод, восстановление окружающей среды и производство устойчивой энергии.