پيل سوختي ميكروبي

پيل‌سوختي ميكروبي

پيل‌سوختي ميكروبي (MFC) [Microbial Fuel Cell] يا پيل‌سوختي زيستي [biological fuel cell]، يك سيستم بيو- الكتروشيميايي مي‌باشد كه با كمك شبيه‌سازي برهم‌كنش‌هاي باكتريايي موجود در طبيعت، توليد جريان مي‌نمايد.

يك پيل‌سوختي ميكروبي دستگاهي است كه توسط واكنش كاتاليستي ميكرو اورگانيسم‌ها، انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي‌كند (Allen and Bennetto, 1993). اين پيل‌ها شامل بدنه كاتدي و آندي جدا شده توسط غشاي مخصوص كاتيوني مي‌باشد. در بدنه آندني، سوخت توسط ميكروارگانيسم‌ها اكسيد شده، توليد الكترون و پروتون مي‌نمايد. الكترون‌هاي توليدي از طريق يك مدار خارجي و پروتون‌ها از ميان غشاء به بدنه كاتدي منتقل مي‌شوند. الكترون‌ها و پروتون‌ها در بدنه كاتدي مصرف شده و براي توليد آب با اكسيژن تركيب مي‌شوند. در مجموع، دو نوع پيل‌سوختي ميكروبي وجود دارد كه عبارتند‌از پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي واسطه و كم‌واسطه، كه در آن‌ها گلوكز و متانول گرفته شده از ضايعات غذايي، به هيدروژن تبديل مي‌شوند.

پيل‌سوختي ميكروبي واسطه: بيشتر پيل‌هاي‌ميكروبي از نظر الكتروشيميايي غيرفعال مي‌باشند و انتقال الكترون از آن‌ها به الكترود توسط واسطه‌هايي مثل تيونين، متيل ويولوژن، متيل بلو، هيوميك اسيد، قرمز خنثي (Netutral red) و ... تسهيل مي‌يابد. اكثر واسطه‌هاي موجود گران و سمي مي‌باشند.

پيل‌سوختي ميكروبي كم‌واسطه: پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي كم واسطه در انستيتوي علوم و تكنولوژي مهندسي كشور كره توسط تيمي تحت رهبري Kim، Byung و Hong تهيه شده است. اين‌ پيل‌ها نياز به واسط ندارند ولي از باكتري فعال الكتروشيميايي براي انتقال الكترون‌ها به الكترود استفاده مي‌نمايند (الكترون‌ها مستقيماً از آنزيم تنفسي به الكترود حمل مي‌شوند). در ميان باكتري‌هاي فعال الكتروشيميايي، Shewanella putrefaciens، (Kim et al.799a)، Aeromonas hydrophila (Coung et al.0,2003) و ... مهم‌ترين آن‌ها مي‌باشند. بعضي از باكتري‌ها، كه روي غشاي خارجي خود داراي توده (‌Pili) مي‌باشند، قادر به انتقال الكترون توليدي خود از طريق آن‌ها مي‌باشند. با توجه به جديد بودن MFCهاي كم واسطه فاكتورهايي كه عمليات بهينه آن را تحت تأثير قرار مي‌دهند، مثل باكتري استفاده شده در سيستم، نوع غشاي يوني و شرايط سيستم همانند دما، كاملاً مشخص نشده است. باكتري‌هاي MFC كم واسطه معمولاً آنزيم‌هاي اكسايش- كاهشي فعال الكتروشيميايي مثل سيتوكروم‌ها را روي غشاي خارجي خود دارند و مي‌توانند با استفاده از آن‌ها الكترون‌ها را به مواد خارجي انتقال دهند.

الكتريسيته توليدي

زماني كه ميكرواورگانيسم‌ها جزء مورد عمل خود را، مثل شكر، در شرايط هوازي مصرف مي‌نمايند توليد اكسيدكربن و آب و در شرايط غير هوازي، همان‌گونه كه در زير توضيح داده شده است، توليد دي‌اكسيدكربن، پروتون و الكترون مي‌نمايند (Bennetto, 1990):

معادله 1:

پيل‌هاي‌سوختي ميكروبي از واسطه‌هاي غيرآلي براي حمل الكترون‌هاي توليد استفاده مي‌نمايند. واسطه از غشاءهاي خارجي چربي سل و ديوار پلاسما عبور مي‌كند؛ پس شروع به رها كردن الكترون‌ها از زنجير حامل الكترون كه معمولاً توسط اكسيژن يا ساير واسطه‌ها جذب شده است، مي‌نمايد. واسطه‌اي كه هم‌اكنون كاهيده شده، پيل داراي بار الكترون‌ها را ترك نموده و به سمت الكترود مخالف حركت مي‌كند؛ آزاد‌سازي الكترون‌ها به اين معناست كه واسطه به حالت اكسيد شده اصلي خود بازگشته و براي تكرار فرآيند آماده است. ذكر اين نكته مهم است كه تحت شرايط بي‌هوازي، وجود اكسيژن به دليل الكترونگاتيوي بالاتر باعث جمع نمودن تمامي الكترون‌ها مي‌شود.

در يك عمليات پيل‌سوختي ميكروبي، آند پذيرنده نهايي الكترون است كه توسط باكتري در محفظه آندي تشخيص داده مي‌شود. بنابراين، فعاليت ميكروبي شديداً به پتانسيل اكسايشي- كاهشي آند بستگي دارد.

تعدادي از واسطه‌هاي پيشنهادي براي استفاده در پيل‌سوختي ميكروبي عبارتنداز: neutral red،‌ methylene، thionine يا resorfuin

براي توليد يك جريان مفيد لازم است كه يك مدار كامل ايجاد شود و تنها نقل و انتقال الكترون به يك نقطه واحد، صورت نگيرد. جزئيات فرآيند به اين صورت است كه واسطه و ميكروارگانيسم، در محلولي شامل جزء مناسب مورد عمل، مانند گلوكز، با يكديگر مخلوط مي‌شوند. اين مخلوط در يك محفظه عايق براي جلوگيري از ورود اكسيژن قرار داده شده و بنابراين ميكروارگانيسم مجبور به استفاده از يك تنفس غير هوازي مي‌شود. در ادامه الكترودي در محلول قرار مي‌گيرد و همان‌گونه كه قبلاً توضيح داده شد، به عنوان آند عمل مي‌كند.

در محفظه دوم MFC، محلول و الكترود ديگري وجود دارد. اين الكترود كه كاتد ناميده مي‌شود، با بار مثبت شارژ شده و معادل منبع اكسيژن در انتهاي زنجير حامل الكترون مي‌باشد. محلول مورد استفاده يك عامل اكسيد كننده است كه الكترون‌ها را از كاتد برمي‌دارد. همانند زنجير الكتروني درون پيل‌مخمر، در اين‌جا نيز زنجيرها مي‌توانند تعدادي از مولكول‌ها مثل اكسيژن باشند. هرچند، اين مسئله چندان عملي نمي‌باشد زيرا نيازمند حجم بزرگي از گاز در گردش است. گزينه مناسب‌تر استفاده از محلولي از عامل جامد اكسايد كننده مي‌باشد.

متصل كننده دو الكترود سيم (يا مسير ديگر هادي الكتريسيته كه مي‌تواند شامل چند دستگاه الكتريكي مثل لامپ برق باشد) و كامل كننده مدار و اتصال دهنده دو محفظه يك پل نمكي يا غشاء تبادل يون مي‌باشد. تركيب آخر باعث توليد پروتون‌ها شده، همان‌گونه كه در معادله 1 توصيف شد، براي عبور از محفظه آندي به محفظه كاتدي استفاده مي‌شود.

واسطه كاهيده، الكترون‌ها را از پيل به الكترود حمل مي‌نمايد و در اين‌جا با ته‌نشين نمودن الكترون‌ها اكسيد مي‌شود. پس از طريق سيم به سمت الكترود دوم كه به عنوان منبع الكترون عمل مي‌كند، جاري مي‌شوند و از آن‌جا به سمت ماده اكسيد كننده عبور مي‌كند.

موارد مصرف

پيل‌هاي سوختي ميكروبي پتانسيل استفاده در مواردي را دارا مي‌باشند. اولين آشكار‌ترين مورد استفاده آن‌ها،‌ توليد الكتريسيته براي يك منبع انرژي است. در واقع هر ماده آلي مي‌تواند به عنوان خوراك به پيل‌سوختي استفاده ‌شود. MFCها مي‌توانند در كارخانجات تصفيه فاضلاب نصب شده و با مصرف مواد زائد آب توسط باكتري‌هاشان توليد نيروي مكمل براي آن كارخانه نمايند. مزايايMFC ها استفاده از روشي بسيار تميز و كارآمد براي توليد انرژي مي‌باشند. آلايندگي پيل‌سوختي كمتر از ميزان تعيين شده در مقررات است، همچنين MFCها بسيار مؤثرتر از موتور‌هاي احتراق استاندارد، انرژي را مصرف مي‌نمايند. در تئوري بازده انرژي يك MFC بسيار بيشتر از 50% مي‌باشد.

اگرچه MFCها در مقياس بالا استفاده نمي‌شوند، چون الكترودها در بعضي موارد تنها 7 ميكرومتر ضخامت 2 سانتي متر طول دارد. مزاياي استفاده از MFCها در اين شرايط برخلاف يك باتري نرمال، استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير و عدم نياز به شارژ مجدد مي‌باشد. علاوه‌بر آن به خوبي در شرايط ملايم يعني دماي cº40-20 و PH=7 قابل استفاده مي‌باشند. با وجود برتري بيشتر نسبت به كاتاليست‌هاي فلزي،‌ براي كاربردهاي بهداشتي طولاني مدت مانند دستگاه تنظيم كننده ضربان قلب، چندان متداول نيستند (Biotech/Life).