معلومة

تفاعل خلية الوقود الميكروبية


لقد وجدت صيغة على الإنترنت توضح التفاعل الذي حدث في غرفة الأنود لخلية وقود ميكروبية ولكن كان هناك خطأ مطبعي

$ small NADH + Ferroxin _ {(ox)} (NADH-Ferroxin Oxidoreductase) longrightarrow NAD ^ + + Ferroxin _ {(red)} Feredoxin _ {(red)} (Hydrogenase) # 61614؛ Ferroxin _ {(ox) } + 2H ^ + + 2e ^ - $

حاولت تصحيحه ولكني لست متأكدًا مما إذا كنت على حق ، فهل يمكنك التحقق من ذلك ومعرفة ما إذا كان صحيحًا؟

$ small NADH-Ferroxin Oxidoreductase longrightarrow NAD ^ + + Ferroxin _ {(red)} $

$ small Ferroxin _ {(red)} longrightarrow Hydrogenase + Ferroxin _ {(ox)} + 2H ^ + + 2e ^ - $


تفاعل الأنود ،

$ جلوكوز صغير + 2NAD ^ + (مسار Embden-Meyerhof) leftrightharpoons 2 بيروفات + 2NADH $

$ small Pyruvate + Ferroxin _ {(ox)} (Pyruvate-ferroxin Oxidoreductase) leftrightharpoons Acetyl-CoA + CO_2 + Ferroxin _ {(red)} $

$ small NADH + Ferroxin _ {(ox)} (NADH-Ferroxin Oxidoreductase) leftrightharpoons NAD ^ + + Ferroxin _ {(red)} $

$ Ferroxin _ {(red)} (Hydrogenase) leftrightharpoons _ {(ox)} + 2H ^ + + 2e ^ - $

[آخر واحد: http://en.wikipedia.org/wiki/Firmedoxin_hydrogenase]

تفاعل الكاثود ،

$ 4 H ^ + 4e ^ - + O_2 leftrightharpoons H_2O $

$ C_6H_ {12} O_6 + 6O_2 leftrightharpoons 6 CO_2 + 6 H_2O، DG ° = - 2870 kj $

مقالة كاملة: http://www.altenergymag.com/emagazine.php؟issue_number=07.04.01&article=haldia


تفاعل خلايا الوقود الميكروبية - علم الأحياء

يمكن أيضًا إنتاج غاز الهيدروجين عن طريق التخمير بواسطة بعض البكتيريا باستخدام الجلوكوز أو السليلوز ، لكن الغلة منخفضة (بحد أقصى 4 مولات من H2 مقارنة بـ 12 على أساس قياس العناصر الكيميائية). أجرى مختبر لوجان في ولاية بنسلفانيا بحثًا مكثفًا حول إنتاج الهيدروجين القائم على التخمير ، ولكننا ركزنا مؤخرًا على إنتاج الهيدروجين الكهروكيميائي في خلايا التحليل الكهربائي الميكروبي (MECs). في MEC ، يتم إنتاج غاز الهيدروجين عند الكاثود ، باستخدام الكائنات الدقيقة الكهروضوئية على الأنود التي تحول المادة العضوية إلى تيار كهربائي. يمكن أن يكون الجهد المطلوب تطبيقه أقل من 1/10 المطلوب لتقسيم الماء وصنع غاز الهيدروجين. يمكن استخدام نفس البكتيريا التي يمكن استخدامها في MFCs لتوليد الكهرباء لتوليد التيار في MECs. للحصول على مراجعة حديثة وشاملة نسبيًا لـ MFCs و MECs ، يمكنك الحصول على ورقة بتنسيق علم (Logan & amp Rabaey، 2012)

0.2 إلى 0.3 فولت. وبالتالي ، نحتاج فقط إلى إضافة حوالي 0.2 فولت أو أكثر لصنع غاز الهيدروجين في MEC / BEAMR. هذا الجهد أقل بكثير من ذلك المطلوب لتحليل الماء الكهربائي ، وهو حوالي 1.8 فولت في الممارسة العملية. يتطلب تقسيم الماء الكثير من الطاقة ، ولكن & # 8220splitting & # 8221 المادة العضوية بواسطة البكتيريا هو تفاعل مفضل من الناحية الديناميكية الحرارية عند استخدام الأكسجين في الكاثود. في عملية MEC ، لا يوجد أكسجين ولا يكون التفاعل تلقائيًا لإنتاج الهيدروجين ما لم يتم إضافة دفعة صغيرة من الجهد إلى تلك التي تنتجها البكتيريا. وبالتالي ، فإن عملية MEC هي أكثر من عملية التحليل الكهربائي للمادة & # 8220 العضوية & # 8221 (مقابل التحليل الكهربائي للماء).

من الممكن الحصول على إنتاجية عالية جدًا من الهيدروجين وكفاءة في استخدام الطاقة باستخدام MECs. على سبيل المثال ، في ورقتنا البحثية في Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) (Cheng and Logan، 2007، 104 (47): 18871–18873) ، حصلنا على غاز الهيدروجين بعوائد 2.01-3.95 مول / مول ( 50-99٪ من الحد الأقصى النظري) عند الفولتية المطبقة من 0.2 إلى 0.8 فولت باستخدام حمض الأسيتيك كوقود. عند تطبيق جهد كهربائي 0.6 فولت ، كانت كفاءة الطاقة الإجمالية للعملية 288٪ تعتمد فقط على الكهرباء المطبقة (82٪ من الطاقة في حمض الأسيتيك والطاقة الكهربائية المستخدمة). بلغ معدل إنتاج الغاز 1.1 م 3 - H2 لكل م 3 من المفاعل في اليوم. تم توضيح إنتاج غاز الهيدروجين المباشر عالي الإنتاجية أيضًا باستخدام الجلوكوز والعديد من الأحماض المتطايرة الأخرى (الزبدية واللبنية والبروبيونية والفاليريك) وحتى السليلوز بأقصى عوائد متكافئة من 54 إلى 91٪ ، بكفاءات طاقة إجمالية تبلغ 64-82٪.

توسيع نطاق MECs تقدمت أكثر من تلك الخاصة بـ MFCs ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى تفاعل أبسط على مرحلتين (البروتونات في الماء ، الأقطاب الكهربائية) مقارنة بالتفاعل ثلاثي الطور لـ MFCs (الأكسجين في الهواء ، البروتونات ، الأقطاب الكهربائية). عادةً ما تكون أنظمة مقياس المختبر 28 مليلترًا من المفاعلات المكعبة ، مثل تلك الموضحة في التخطيطي إلى اليسار ، لكننا بنينا أنظمة معملية أكبر مثل مفاعل 2.5 لتر الموضح على اليسار. لقد أجرينا أيضًا اختبارات ميدانية في مصنع نبيذ نابا في كاليفورنيا ، وأظهرنا المعالجة الفعالة لمياه الصرف الصحي الخاصة بمصنع النبيذ باستخدام مفاعل سعة 1000 لتر مع زيادة صافية في الطاقة بالنسبة لمدخلات الطاقة الكهربائية ، على الرغم من إنتاج الميثان في هذا النظام بدلاً من غاز H2. نحن نعمل حاليًا على تصميمات جديدة لتحويل المنتجات النهائية لتخمير السليلوز بشكل أكثر فعالية إلى غاز H2 بمعدلات إنتاج واسترداد عالية ، في مشروع مع المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) ، في Golden ، CO.

الروابط والملاحظات

يحتوي هذا الموقع على عدد من الأقسام لتقديم MFCs وغيرها من التقنيات الكهروكيميائية الميكروبية (METs). على سبيل المثال ، لمشاهدة عروض الشرائح ومقاطع الفيديو ، انتقل إلى صفحة العروض التقديمية الخاصة بنا. لمعرفة المزيد حول هذا وغيره من أبحاث الهيدروجين وخلايا الوقود في ولاية بنسلفانيا ، قم بزيارة صفحة ويب مركز H2E. لقراءة المزيد عن خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) ، انتقل إلى صفحة MFC.


تحسين أداء طاقة خلايا الوقود الميكروبية (MFC) من خلال تعزيز الطاقة الكهربية الميكروبية

خلال السنوات الخمس الماضية ، تم إحراز تقدم هائل لتعظيم أداء خلايا الوقود الميكروبية (MFCs) لإنتاج الطاقة الحيوية "النظيفة" والمعالجة الحيوية. ركزت معظم الجهود البحثية على المعلمات بما في ذلك (1) تحسين تكوين المفاعل ، (2) بناء القطب ، (3) إضافة الوسطاء الناشطون في الأكسدة ، والمتبرعون بالإلكترون ، (4) التأقلم مع الأغشية الحيوية وتعديل مغذيات التغذية ، وكذلك (v) المعلمات الأخرى التي تساهم في تحسين أداء MFC. حتى الآن ، تم إحراز تقدم هائل ، ولكن هناك حاجة إلى مزيد من التحسينات لكي تكون MFCs عملية من الناحية الاقتصادية. في هذه المراجعة ، تمت مناقشة تنوع الكائنات الدقيقة الكهربية وتغيرات المجتمع الميكروبي في الثقافات المختلطة. والأهم من ذلك ، يتم مراجعة الأساليب المختلفة بما في ذلك التعديلات الكيميائية / الجينية وتنظيم الجينات من الكهروضوئية الخارجية ، ونهج البيولوجيا التركيبية وتعاون المجتمع البكتيري. سمح التقدم في السنوات الأخيرة في علم الميتاجينوميات والميكروبيوم للباحثين بتحسين القدرة الكهربية البكتيرية للأغشية الحيوية القوية في MFCs باستخدام أساليب جديدة وغير تقليدية. مجتمعة ، توفر هذه المراجعة بعض المعلومات المهمة في الوقت المناسب للباحثين الذين يقومون بفحص وسائل إضافية لتعزيز إنتاج الطاقة من MFCs.

الكلمات الدالة: Biofilm الكائنات الحية الدقيقة الكهربية المجتمع الميكروبي خلية الوقود الميكروبية البيولوجيا الاصطناعية.


خلية الوقود الميكروبية (MFC) هي نظام يقود التيار عن طريق تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية ، باستخدام النشاط التحفيزي للكائنات الحية الدقيقة. تجعل أزمة الطاقة الظروف مناسبة لتحسين إنتاج الطاقة متعدد الوظائف ، والذي يعد مصدرًا جديدًا للطاقة - أرخص وأنظف وأكثر استدامة. يتكون MFC من أنود ، كاثود ، وللفصل بينهما يحتاج إلى غشاء. يمكن لـ MFC استخدام مواد كيميائية مختلفة قابلة للتحلل كوقود ، وتعمل على نفس المفهوم مثل الأنواع الأخرى من خلايا الوقود ، أي تفاعل الأكسدة والاختزال. أحد التصميمات البسيطة لـ MFC هو خلية الوقود الميكروبية للرواسب (SMFC). SMFCs اقتصادية للغاية ، ومع ذلك ، فإن إنتاجها من الطاقة أقل من الأنواع الأخرى من MFC. من السهل جدًا إنشاء SMFCs ويمكن أن تكون مفيدة في تطبيقات الأرضيات البحرية. تعتبر التطورات في تقنية MFC واعدة جدًا ، وقد تكون هذه التكنولوجيا جزءًا مهمًا من حل مشاكل مثل أزمة الطاقة والاحتباس الحراري.

مقدمة

أصبحت أزمة الطاقة أكثر وضوحا مع تزايد الطلب العالمي على الطاقة. زادت تكاليف الوقود الأحفوري وستستمر في النمو. إن إنتاجنا من الوقود الأحفوري محدود ، ولن يكون قادرًا على تلبية متطلباتنا. وبالمثل ، تزداد تكاليف مصادر الطاقة الأخرى ، مما يجعل الوضع مناسبًا لمصادر الطاقة الأحدث الأرخص ، والأنظف ، والأكثر استدامة. (7)

شكل 1. الوزن الإجمالي للناتج المحلي الإجمالي العالمي حسب حصص استهلاك النفط العالمي. المصدر تقرير الـ ITF المؤقت للنفط الخام (4)

تعد تقنية خلايا الوقود الميكروبية (MFC) واحدة من أحدث الأساليب لإنتاج الكهرباء. لتوليد الكهرباء ، تستخدم MFC الكتلة الحيوية ، وهي مصدر متجدد للطاقة ، مجدية اقتصاديًا ومتاحة على نطاق واسع. (2) علاوة على ذلك ، فإن استهلاكه للكتلة الحيوية يجعل الماء أكثر صحة للاستهلاك البشري لاحقًا. (5)

أظهرت العديد من التجارب إمكانية توليد الطاقة من الكتلة الحيوية المتراكمة في الرواسب تحت سطح البحر. (3) تحتوي هذه الرواسب على مزارع ميكروبية تنمو بشكل لا هوائي ، والتي يمكن أن تؤكسد الكتلة الحيوية وتحرر تدفق الإلكترونات بين متفاعلات الأنود والكاثود. ينتج نقل الإلكترون هذا تيارًا ، ويمكن استخدامه لتوليد الطاقة. في السابق ، تم إجراء بعض التطبيقات باستخدام كاثودات غير أكسجين.

يواجه تصميم MFC تحديات تقنية حيث يبحث المهندسون عن تطبيقات قابلة للاستخدام في العالم الحقيقي. تعد كثافة الطاقة الحالية ممكنة ، ولكن يجب أن يكون تصميم MFC أكثر فعالية من حيث التكلفة. يجب أن يكون التصميم قابلاً للتطوير للتطبيقات الأكبر. (3)
أجزاء خلية الوقود الميكروبية

في تفاعل الأكسدة والاختزال ، يتم توفير الإلكترون بواسطة متفاعل واحد ، ويستهلكه مفاعل آخر. لكن في خلية الوقود ، لا يمكن نقل الإلكترونات مباشرة بين نصف التفاعلات. ينتج الإلكترون في تفاعل نصف أكسدة ، حيث يطلق عليه الأنود. بعد ذلك ، يتحرك الإلكترون المنطلق عبر سلك للوصول إلى الكاثود ، حيث سيتم استخدامه في تفاعل نصف الاختزال. ينتج عن نقل الإلكترون هذا تدرج شحنة بين الكاثود والأنود. بدافع من تدرج الشحن ، يجعل غشاء التبادل الأيوني نقل الأيونات ممكنًا. هذا يوازن الشحنات في الكاثود والأنود. نتيجة نقل الإلكترون هذا هو تيار كهربائي ، أو بعبارة أخرى ، كهرباء.

العقدة
الشكل 2. مخططات MFC مع غشاء.

تم تصميم خلية الوقود الميكروبية بناءً على نفس المفهوم. وبالتالي ، فهو يتكون من أربعة عناصر: الأنود ، والكاثود ، وغشاء التبادل الأيوني ، والوقود الجرثومي. تعمل هذه الأجزاء الأربعة على النحو التالي:

تعمل بعض البكتيريا كأنودات ، وتنتج الطاقة عن طريق أكسدة المواد العضوية. يتطلب أي تفاعل أكسدة متقبلًا للإلكترون ، والذي في هذه الحالة يمكن أن يكون جزيء أكسجين ، أو أي أيونات أخرى موجودة في الماء يمكن تقليلها. هناك العديد من الطرق المختلفة التي يمكن للبكتيريا من خلالها نقل إلكتروناتها من موقع الأكسدة إلى متقبل الإلكترون. تستخدم بعض البكتيريا الأكسجين المذاب في الماء وتقليله داخل خلاياها. يمكن لعدد قليل من الآخرين نقل الإلكترونات خارج أجسامهم والتبرع بالإلكترونات إلى العوامل المؤكسدة. يمكن أن تنمو هذه البكتيريا في البيئات اللاهوائية ، لأنها لا تتطلب أكسجين و iexcl & macrt. يعتبر الأكسجين في الواقع سامًا وقاتلًا للبعض منهم. على سبيل المثال ، تتنفس البكتيريا الجيولوجية metallireducens على المركبات العضوية باستخدام الحديديك كمتقبل للإلكترون ، ويختزلها إلى حديدية. في خلية الوقود سوف يتبرعون بإلكتروناتهم إلى القطب الموجب وستستخدم هذه الإلكترونات على جانب الكاثود. لا يعد نقل الإلكترون هذا مصدرًا للطاقة للثقافة البكتيرية فحسب ، بل يمكنه أيضًا إنتاج طاقة في مقاومة خارجية بين الأنود والكاثود.

هناك أنواع مختلفة من الكاثودات ، وهناك مواد كيميائية مختلفة مستخدمة فيها. يستخدم الكاثود الأكثر اقتصادا الأكسجين المذاب كمستقبل للإلكترون. تركيز جزيئات الأكسجين منخفض جدًا داخل الماء ، لذلك لن ينتج هذا النوع من الكاثود قوة دافعة كبيرة جدًا مقارنة بأنواع الكاثودات الأخرى. من ناحية أخرى ، هذا النوع من الكاثود لا يحتاج & iexcl & macrt إلى الاستبدال ، لأن العنصر الوحيد الذي يستهلكه هو الأكسجين ، مما يسمح له بالعمل لفترة طويلة من الزمن.

أثناء أداء الخلية وإنتاجها للطاقة ، تصبح شحنة الكاثود والأنود غير متوازنة. تنتج الثقافة البكتيرية بروتونات في المحلول ، وبالتالي يصبح القطب الموجب أكثر إيجابية. نظرًا لانخفاض الأكسجين في الأنود ، يصبح جانب الكاثود سالبًا. من أجل الحفاظ على عمل الخلية ، يجب أن يكون هناك غشاء للتبادل الأيوني لموازنة الشحنات بين الأنود والكاثود ، عن طريق تحريك الأيونات التي يقودها تدرج الشحنة. تكمن الصعوبة الرئيسية في أن هذا الغشاء يمكن أن يتعرض للهواء ، لأن جانب الأنود يجب أن يظل لاهوائيًا. يضع غشاء التبادل أيضًا بعض المقاومة على أداء الخلية ككل ، لذلك فهو يمنع الأيونات ، وخاصة البروتونات ، من التحرك بحرية عبر الغشاء. (1)

سيكون الغشاء الأكثر اقتصادا هو رواسب البحر. لقد ثبت أن MFCs يمكن صنعها في قاع البحر ، حيث يكون الغشاء عبارة عن رواسب البحر فقط. يسمى هذا النوع من خلايا الوقود الميكروبية للرواسب (SMFC). لسوء الحظ ، تتمتع SMFC بكثافات طاقة منخفضة للغاية ، بسبب مقاومتها الداخلية العالية. ترجع بعض مقاومتها الداخلية الكبيرة إلى الأداء غير الفعال للغشاء ، والمسافة الكبيرة بين الأنود والكاثود. (1)

من الناحية النظرية ، يمكن أن تستهلك MFC أي مركب كيميائي يمكن أن تتأكسد بواسطة الكائنات الحية الدقيقة. لكن الأبحاث أظهرت أن الجلوكوز والأسيتات مصادر غذاء أولية جيدة بشكل غير عادي للمزارع الميكروبية التي تنمو على الأنود. يمكن تقسيم هذه المركبات العضوية إلى سكريات أصغر وأحماض كربوكسيلية وكحوليات ، والتي تؤكل في النهاية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة التي تنمو على الأنود. وهذا يطرح إمكانية استخدام مياه الصرف كغذاء للمركبات العضوية المتطايرة وتقليل التلوث العضوي لمياه الصرف في محطات معالجة مياه الصرف. (1)
كيف تعمل MFC؟

يمكن تفكيك معظم المواد الكيميائية للكتلة الحيوية إلى أسيتات من خلال مسارات تقويضية مختلفة ، ويفترض هذا التفسير أن الوقود عبارة عن أسيتات. داخل الكائنات الحية الدقيقة ، يمكن أن تتحول الأسيتات ببساطة إلى Acetyl-CoA. يمكن استهلاك Acetyl-CoA في دورة حمض الستريك ، والتي ستنتج ثلاثة جزيئات من NADH وواحد FADH2. يتم إنتاج ثمانية إلكترونات لكل دورة خلات ، ويتم تخزينها عن طريق إنتاج NADH و FADH2. يتم إطلاق هذه الإلكترونات من خلال سلسلة نقل الإلكترون ، ويتم نقلها إلى القطب الموجب. تُستخدم هذه الإلكترونات في جانب الكاثود من التفاعل ، حيث يحدث الاختزال.
كيف تصنع MFC بسيط جدا؟

تمتلك معظم الثقافات الميكروبية التي تنمو في الرواسب الموجودة تحت سطح البحر إمكانية نقل إلكتروناتها إلى القطب الموجب ، لذا فهي مناسبة للاستخدام في MFC. أيضًا ، تعمل الرواسب التي تحافظ على النظام اللاهوائي كغشاء. ومن ثم ، فإن العمل الوحيد الذي يجب القيام به هو إدخال أنود موصل غير قابل للتآكل داخل الرواسب ، وله مساحة أكبر للكاثود في الجزء الهوائي من الماء. ثم يجب توصيل الكاثود والأنود بمقاوم ، اعتمادًا على مساحة سطحهما وأدائهما. ستتحسن هذه الخلية بعد بضعة أيام. ولكن إذا كانت الرواسب في نظام مغلق ، فسوف ينفد الطعام في النهاية وينخفض ​​الجهد. إنتاج الطاقة لهذه الأنواع من الخلايا محدود للغاية بسبب سمك الغشاء ومقاومته العالية. (الشكل 3) [6)

الشكل 3. رسم تخطيطي لـ SMFC بالأبعاد التي تم تجربتها.

استنتاج بشأن إمكانيات MFC

SMFCs غير مجدية لإنتاج الطاقة في محطات الصرف الصحي ، لكنها يمكن أن تكون بديلاً جيدًا للبطاريات في الأجهزة الموجودة تحت سطح البحر ، حيث

العقدة
الشكل 4. الجهد مقابل الرسم البياني الزمني لمؤشر SMFC

تعود الزيادة في الجهد إلى نمو الكائنات الحية الدقيقة على جانب الأنود.

من الصعب جدًا استبدال البطارية الكيميائية وتتطلب الأجهزة كمية قليلة جدًا من الطاقة. يمكن أن تعمل SMFCs لفترة غير محدودة ، نظرًا لأن نظامها مفتوح ، فلن ينفد الطعام أبدًا ، كما أن الأكسجين المذاب في الماء غير محدود.

تعد تقنية MFC مجالًا بحثيًا واعدًا ، نأمل أن تتمكن من حل بعض أزمة الطاقة وتقليل كمية الغازات المنبعثة في الغلاف الجوي.

إعتراف

مراجع

Du و Zhuwei و Haoran Li و Tingyue Gu. "مراجعة حديثة لخلايا الوقود الميكروبية: تقنية واعدة لمعالجة مياه الصرف الصحي والطاقة الحيوية." تقدم التكنولوجيا الحيوية 25 (2007): 464-82. الويب.

لوجان ، بروس إي. خلايا الوقود الميكروبية. نيويورك: Wiley-Interscience ، 2008. طباعة.

رينالدي ، أنطونيو ، باربرا ميشيري ، فيرجيليو جارافاليا ، سيلفيا ليكوتشيا ، باولو دي ناردو ، وإنريكو ترافيرسا. "المواد الهندسية والبيولوجيا لتعزيز أداء خلايا الوقود الميكروبية: مراجعة نقدية." الجمعية الملكية للكيمياء (2008): 417-29. مطبعة.

فرقة العمل المشتركة بين الوكالات والمعنية بأسواق السلع ، Inter im Repor t on Crude Oil ، واشنطن العاصمة.

كارجي وفكريت وسركان عكر. "توليد طاقة عالية مع إزالة COD في وقت واحد باستخدام خلية وقود ميكروبية منتشرة." وايلي Interscience 84 سر. (2009): 961-65. الويب.

دونوفان ، كونراد ، عليم ديوان ، دوخيون هيو ، هالوك بينال. "مستشعر لاسلكي لا يعمل بالبطارية مدعوم بخلية وقود ميكروبية للرواسب." العلوم والتكنولوجيا البيئية 42 (2008): 8591-596. مطبعة.

ماكاي ، ديفيد جي سي. الطاقة المستدامة - بدون هواء ساخن. كامبريدج: UIT Cambridge Ltd ، 2009. طباعة.


مناقشة

يمكن اعتبار الهلام المحضر كما هو موصوف في فقرة الطريقة مادة إلكتروليت صلبة ، حتى لو كان الطور السائل موجودًا داخل إطاره ، لأنه مقبول جيدًا من قبل المجتمع العلمي باعتبار المواد الهلامية إلكتروليتات صلبة 23 ، 24.

من أجل تقدير مقاومة الأيونات داخل الإلكتروليت الصلب ، تم تقييم المقاومة الأومية. تقدير الخسائر الأومية (RΩ) الناشئة ، من بين عوامل أخرى ، عن مقاومة توصيل الأيونات إلى الإلكتروليت والغشاء ومقاومة توصيل الإلكترونات عبر الأقطاب الكهربائية 25. تم تنفيذه عن طريق الطريقة الحالية المتقطعة (CIM) ، كما هو موضح في الطرق (تشغيل وتوصيف MFC). تم حساب متوسط ​​قيمة (12 ± 2) مع الأخذ في الاعتبار المقاومة من المرحلتين الأولى والثانية. هذه النتيجة مثيرة للاهتمام للغاية وتساعد في توضيح أن وجود الإلكتروليت الصلب الجديد لا يزيد من R.Ω القيمة. تكون الخسائر الأومية التي تم الحصول عليها قابلة للمقارنة مع تلك المقاسة عادةً للأنوليت السائل بنفس الشروط 26،27. بمجرد انتهاء التجربة ، كان من الممكن ملاحظة أن SSA كان أقل ضغطًا مما كان عليه في بداية التجربة. يمكن تفسير هذه الظاهرة من خلال مساهمة عمليتين مختلفتين: يمكن أن تكون إحداهما مرتبطة باستهلاك الجلوكوز والفركتوز بسبب البكتيريا ، مما يؤدي إلى تقليل درجة الارتباط المتبادل بين سلاسل الأجار الجزيئية ، بينما يمكن أن تكون العمليات الأخرى مرتبط بتدهور أجار بسبب لقاح بكتيريا مياه البحر ، لأن العديد من الكائنات الحية الدقيقة البحرية يمكن أن تحلل مركب الطحالب عن طريق إنتاج إنزيم الأجاراز. على وجه الخصوص ، فإن وجود الحفر على سطح SSA ، الذي لوحظ في نهاية التجربة ، هو نتيجة للهضم الأنزيمي للأجار 18.

يُعرّف EE بأنه نسبة الطاقة المستعادة بواسطة MFC إلى حرارة احتراق الركيزة العضوية المستهلكة 28 ، ويقدم معلومات مهمة عن الأداء النشط للجهاز. علاوة على ذلك ، نظرًا لأنه يأخذ في الاعتبار فقد الطاقة بسبب الأجهزة الخارجية ، مثل مضخات التغذية وإعادة التدوير 28 ، يمكن أن يساعد في تقدير الميزات الفريدة لـ SSA-MFC. في الواقع ، لا يحتاج SSA-MFC إلى أنظمة ضخ هيدروليكية للتغذية الأنودية ، حيث لا يساهم في الطاقة من الأنظمة الخارجية عند الأنود ، مما يساعد في الحصول على توازن طاقة إيجابي إجمالي 29 ، مع قيمة رائعة لـ EE تقترب من 63٪. من المهم أن نقول أنه نظرًا لأن هذه الدراسة كانت تركز بشكل أساسي على تحليل سلوك SSA الجديد ، وبالتالي في هذه المرحلة ، لم يتم أخذ تكاثر الكاثوليت ، من حيث تكاليف الطاقة ، في الاعتبار ، لأن التركيز ينصب على الأنوديك توازن طاقة الغرفة وليس توازن MFC بأكمله. اختيار MFC من غرفتين مع كاثوليت كيميائي سائل ، بدلاً من هندسة الكاثود في الهواء الطلق ، هو تركيز الانتباه بشكل أساسي على SSA الجديد. بالنظر إلى صعوبة تقدير حرارة احتراق مياه الصرف الصحي ، تظهر النتائج في الأدبيات عادةً كفاءة Coulombic (CE) التي تمثل تحويل المواد العضوية إلى شحنة كهربائية.

ومع ذلك ، لا تأخذ CE في الاعتبار إنفاق الطاقة لتشغيل الجهاز ، وبالتالي فهي غير قادرة على إعطاء إشارة إلى مدى بعد MFCs عن جهاز إيجابي الطاقة 29. تظهر البيانات الموجودة في الأدبيات قيم CE تتراوح من 1٪ إلى 80٪ 28،29،30،31،32،33. تعتمد هذه الاختلافات بشكل أساسي على الركيزة العضوية ولكن أيضًا على التصميم وظروف التشغيل وعلم الأحياء الدقيقة.

لذلك ، من الواضح أنه في كثير من الحالات ، إذا تم أخذ استهلاك الطاقة للأجهزة الخارجية في الاعتبار ، فإن قيم الكفاءة هذه ستكون أقل بشكل كبير.

يعمل العمل الحالي على إصلاح خطوة مهمة جديدة نحو تطوير أنوليت المرحلة الصلبة وقدرته على العمل تخزين المغذيات متاح للبكتيريا وقابل للتحويل إلى طاقة مفيدة في ذلك الوقت ، دون إضافة أي مغذيات خارجية. إنه يعمل كنظام تخزين طاقة كيميائية حقيقي قادر على إطلاق طاقته ببطء بمرور الوقت ويساهم بشكل كبير في استقلالية النظام الناتج. يكشف التحضير السهل لـ SSA وسهولة امتصاصه من البكتيريا أن SSA الصلب في وقود أصلي ومريح لـ MFC. هذه خطوة مهمة نحو الحد من طلب الطاقة ، وتحقيق توازن أفضل للطاقة الصافية اللازمة للتغلب على أكبر عنق الزجاجة في قابلية تسويق منتجات MFC. قد تعني الراحة في الحفاظ على مجتمع متنامي من البكتيريا بفضل ركيزة الطاقة عالية الكثافة مصدرًا محتملاً للطاقة طويل الأجل مع العديد من التطبيقات: من مصدر الطاقة عن بُعد إلى ممارسات إدارة النفايات مثل معالجة كل من المياه والنفايات الصلبة. مع الأخذ في الاعتبار أن العديد من الأجهزة أو المستشعرات الإلكترونية ، أي مستشعرات درجة الحرارة ، تتطلب 1.5 فولت كجهد تشغيلي أو حتى أقل ، أي أن مستشعر مقاومة الضغط 26 يتطلب

1 V ، أحد الاحتمالات هو تصميم نظام على الأقل من اثنين من MFC متصلين في سلسلة وفي النهاية مع نظام تخزين سعوي. يمكن أن يستفيد التطبيق البعيد من البيئات الطبيعية ، مثل مياه البحر. يمكن للبكتيريا أن تجد ركيزة أكثر ثراءً تطلق المزيد من الإلكترونات ، مما يسمح لأجهزة الاستشعار بالطاقة في المناطق النائية. علاوة على ذلك ، تعد الكفاءة العالية للجهاز (63٪) جنبًا إلى جنب مع المساهمة الصفرية للتغذية الأنودية خطوة حاسمة نحو طريق جديد واضح لأجهزة MFC المحمولة والمستقلة للتطبيقات البعيدة ، مما يقلل بشكل كبير من تكاليف التشغيل ومتطلبات الطاقة اللازمة صيانة النظام وتقليل المشاكل الهيدروليكية.

من الجدير بالذكر أن غرفة الأنوديك ، بعد أن تم إغلاقها ، لم تكن بحاجة إلى مزيد من التغذية أو الترطيب أثناء التجربة ولا إعادة التوطين ، مما أدى إلى ظهور جهاز مستقل حقًا من الجانب الأنودي.

يمكن أن تكون الخطوة المهمة التالية هي دمج الكاثود الهوائي ليحل محل الكاثوليت الكيميائي ، من أجل دفع البحث نحو نظام مستقل كامل. يجب ألا يحد الأداء غير المذهل من فرصة إجراء مزيد من التطوير ، لأن SSA يوضح الطريق لجيل جديد من MFCs ، والتي يمكن ، على سبيل المثال ، أن يتم استخدامها بشكل واقعي في أجهزة المناطق النائية أو البيئات القاسية التي تراقب وتزود بالطاقة الأجهزة الصغيرة ، مثل أجهزة الاستشعار.


تحسين الأداء لـ MFCs التي تعمل بالكتلة الحيوية

ظروف التشغيل والتحسين

تختلف عملية التمثيل الغذائي المحددة في MFCs حسب نوع الكتلة الحيوية / النفايات العضوية وظروف التشغيل لـ MFCs (Guo et al. 2020). في هذا القسم ، تتم مناقشة ظروف التشغيل (الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة ومعدل التحميل العضوي) والتحسينات لتحسين الأداء في MFCs في ما يلي.

الرقم الهيدروجيني هو أحد العوامل الأساسية في MFCs التي تؤثر على كل من الأنشطة الميكروبية الانودية والتفاعلات الكاثودية. قد يؤدي تراكم البروتونات إلى تحمض أنوليت ، وقلونة المنحل بالكهرباء في غرفة الكاثود. وبالتالي ، يؤدي تقليل الأس الهيدروجيني في غرفة الأنود بسبب زيادة تركيز البروتون إلى إنتاج طاقة منخفضة ، مما يثبط تنشيط EAMs. على العكس من ذلك ، فإنه يتسبب في زيادة الرقم الهيدروجيني في غرفة الكاثود التي تمنع تفاعل تقليل الأكسجين (ORR) (Ivars et al. 2018). على الرغم من اقتراح استخدام المحاليل الوقائية للأس الهيدروجيني مثل الفوسفات أو البيكربونات (درجة الحموضة 7.0) للتحكم في درجة الحموضة في الأنوليت ، إلا أنه قد يزيد من تكاليف التشغيل وتحلية مياه الصرف الصحي أو عبء إزالة الفوسفور الإضافي (Chen et al. 2019). لقد وجد أن زيادة درجة الحموضة الأنودية يجب أن تنسب إلى زيادة إزالة COD وتحسين أداء MFCs. يعتمد الرقم الهيدروجيني الأمثل بشدة على نوع الكائنات الحية الدقيقة. تشانغ وآخرون. (2011) درس تأثير الأس الهيدروجيني على أداء MFC والمجتمع الميكروبي الانوديك. أظهرت النتائج إزالة أسرع لـ COD في ظل ظروف الأس الهيدروجيني الحمضية ، حيث سيمبليسبيرا, فاروفاوراكس, كوماموناس، و Acinetobacter كانت المجتمعات الرئيسية في ظل ظروف حمضية. تكسر أنوديك بيوفيلم وانخفض عدد الخلايا بشكل كبير عند درجة الحموضة ≤ 5.0 ، علاوة على ذلك ، فشلت MFCs عند درجة الحموضة 4.0 بسبب تغيرات تكوين المجتمع الميكروبي. ومع ذلك ، يمكن لـ MFCs استعادة التوليد الأمثل للكهرباء عندما تم إعادة تعديل الأس الهيدروجيني إلى 7.0 (Zhang et al. 2011). كان الرقم الهيدروجيني الأمثل لإنتاج الطاقة القصوى المبلغ عنه 8-10 في MFC كاثود هوائي يعمل بالخلات (Zhao et al. 2017). عادة ، فضل التفاعل الميكروبي الانوديك درجة حموضة متعادلة للنمو الأمثل للخلايا ، بينما كان الأس الهيدروجيني القلوي الضعيف أكثر ملاءمة للتفاعل الكاثودي.

درجة حرارة يعتمد التأثير على طبيعة EAMs الأنودية وخصائص الكتلة الحيوية في MFCs. تم الإبلاغ عن أن الكائنات الحية الدقيقة يمكن أن تنمو في أربع درجات حرارة نمو مثالية مصنفة ، أي ، الكائنات الحية الدقيقة (10-15 درجة مئوية وما فوق 20 درجة مئوية) ، وميسوفيلز (25-40 درجة مئوية و 45 درجة مئوية) ، وثرموفيلز (50-85 درجة مئوية) ) ، و hyperthermophiles (80-113 درجة مئوية) (Stetter 2006). ومع ذلك ، فإن معظم EAMs المميزة تنتمي إلى تصنيف mesophilic. في درجات الحرارة المنخفضة للغاية ، تتباطأ التفاعلات الميكروبية ، وفي النهاية ، لا يمكن تشغيل MFCs في معظم الحالات (Ivars et al. 2018). ومع ذلك ، يمكن أن تعمل MFCs المزودة بأدوات نفسية EAMs في درجة حرارة منخفضة وتحقق CE عالية. Behera et al. قام (2011) بتقييم تأثيرات درجة الحرارة على أداء MFC ثنائي الغرف الوسيط بدون وسيط عن طريق ضبط درجة الحرارة بين 20 و 55 درجة مئوية. ولوحظت أعلى كفاءة لإزالة COD بنسبة 84٪ عند درجة حرارة تشغيل تبلغ 40 درجة مئوية. تي وآخرون. (2018) درس أداء MFC بنظام الامتزاز (MFC-AHS) ومخلفات مطاحن زيت النخيل كركيزة تحت درجات حرارة تشغيل مختلفة. تم العثور على درجة حرارة التشغيل المثلى لمثل هذا النظام عند 35 درجة مئوية. أظهرت النتائج أيضًا أن أقصى كثافة للتيار يمكن أن تزداد خطيًا مع درجة الحرارة بمعدل 0.1772 مللي أمبير / م 2 / درجة مئوية ، بينما كان الحد الأقصى لـ PD في دالة متعددة الحدود (Tee et al. 2018). Larrosa et al. (2010) حقق في تشغيل MFC بغرفة واحدة وثنائية الغرفة عند درجات حرارة مختلفة تتراوح من 4 إلى 35 درجة مئوية. أظهرت النتائج أن درجة الحرارة كعامل حاسم لإزالة COD وإنتاج الطاقة الحيوية ، والتي تم الحصول عليها 58٪ إزالة COD مع أقصى PD 15.1 ميغاواط / م 3 مفاعل (8.1 ميغاواط / م 2 الكاثود) عند 4 درجات مئوية ، و 94٪ إزالة الكود مع أقصى PD مفاعل 174 ميغاواط / م 3 (92.8 ميغاواط / م 2 كاثود) عند 35 درجة مئوية (Larrosa-Guerrero et al. 2010).

معدل التحميل العضوي (OLR) له تأثير كبير على أنوديك بيوفيلم ، والذي يعتمد في المقام الأول على الخصائص الكيميائية للنفايات. على وجه الخصوص ، يمكن أن يؤدي تخمير الكتلة الحيوية / النفايات العضوية إلى إنتاج مستقلبات حمضية ، مما يؤثر على إلكتروليت انوديك. لذلك ، يجب تحسين MFCs التي تعمل بوقود OLR بعناية لتحقيق أداء عالٍ. علاوة على ذلك ، تم التأكيد على أن PD و CE في MFCs يرتبطان ارتباطًا وثيقًا بـ OLR ، حيث يمكن أن تؤثر زيادة أو نقصان OLR على كفاءة نقل الإلكترون. عادةً ما أدى تشغيل MFCs في OLRs الأعلى إلى انخفاض CE (Velvizhi and Mohan 2012). في دراسة تم الإبلاغ عنها بخصوص MFC مع معالجة العصارة ، أدت زيادة OLR من 0.65 إلى 5.2 كجم COD / م 3 / يوم إلى انخفاض إجمالي CE من 14.4 إلى 1.2٪ (Zhang et al. 2008). سيتينكايا وآخرون التحقيق في تأثير OLR مع تغيير HRT وتركيز المادة المرتشحة COD. أشارت النتائج إلى أن إزالة COD وكثافة التيار تأثرت بشكل كبير بزيادة OLR ، على الرغم من انخفاض أداء MFC عندما تم تقليل HRT (Cetinkaya et al. 2016).

الموصلية الأيونية للكهارل

يعد الحفاظ على حالة الأس الهيدروجيني المناسبة للإلكتروليت أمرًا ضروريًا للحصول على درجة عالية من PD و CE في MFCs. الكاتيونات مثل Na + و K + ، بخلاف H + عرضة للانتقال نحو الكاثود ، ومع ذلك ، فإن النقل الجماعي H + بطيء ، مما يؤدي إلى تراكمه في الأنود إلى تحمض anolyte ، ويحد بشكل كبير من توليد الكهرباء في MFCs ( رن وآخرون 2017). القضاء على تحمض أنوليت مع مهبط قلوي من خلال إعادة تدوير المنحل بالكهرباء قد خفف من انخفاض درجة الحموضة في MFCs ، في حين أن O2 من المحتمل أن يتأثر بالقطب الموجب ويقيد نشاط الأنود بيوفيلم (Zhang et al. 2015). علاوة على ذلك ، لا غنى عن مخازن الأيونات غير العضوية دائمًا في MFCs لتوفير موصلية أيونية معينة والحفاظ على ظروف الأس الهيدروجيني المستقرة للكهارل (Chen et al. 2019). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الكربون غير العضوي (IC) مثل H2كو3 (محلول CO2) ، HCO3 - ، كو3 يمكن إنتاج −2 كمستقلبات نهائية لـ MFC ، والتي تعتبر مخازن داخلية ، على الرغم من أن تركيزها التراكمي غير كافٍ لمنع تحمض anolyte (Ren et al. 2017). للتغلب على هذا القيد ، رين وآخرون. (2017) أبلغ عن MFC جديد خالٍ من المخزن المؤقت مع إعادة تدوير anolyte كإستراتيجية مجدية يمكن أن تزيد من تركيز IC من anolyte ، والقضاء تمامًا على تحمض anolyte وتعزيز الطاقة الكهربائية لـ MFCs بشكل كبير.

تعديل القطب

يجب أن تمتلك مواد القطب الكهربي موصلية إلكترونية جيدة ، ومساحة سطح كبيرة وتوافق حيوي جيد للالتصاق الميكروبي. يمكن أن تؤثر الخصائص السطحية للإلكترود ، مثل الخشونة ، والمسامية ، والماء السطحي على تكوين الأغشية الحيوية ومن ثم الطاقة الكهربائية المشتقة في MFCs (Zhao et al. 2017). في العقود الأخيرة ، يعتبر الكربوني أكثر المواد الأنودية استخدامًا على نطاق واسع في MFCs. تم تحديد المواد القائمة على الكربون مثل ورق الكربون (Hassan et al. 2014) ، الجرافيت الحبيبي (Habibul et al. 2016 Vilajeliu et al. 2017) ، وقضبان الجرافيت (Xu et al. 2015) واستخدامها على نطاق واسع في الكتلة الحيوية- تغذيها MFCs. ومع ذلك ، أظهر القطب التجاري القائم على الكربون سطحًا أملسًا مع نشاط كهروكيميائي منخفض وتوافق مع الحياة. ومن ثم ، تم تطوير استراتيجيات مختلفة لتعديل سطح القطب. على سبيل المثال ، Chen et al. (2018) developed the candle soot modified-CC electrode by inoculating بكتيريا غازية قؤوبة NIU01 in MFCs. The modification with 60-s could alter the hydrophobic surfaces of the CC electrodes to super-hydrophilic. Further, the electrochemical measurement of the modified electrode exhibited the highest PD of 19.8 ± 0.2 mW/m 2 with an internal resistance of 619 Ω, which was higher than that of MFCs conducted with the bare electrodes (10.2 ± 0.2 mW/m 2 ) (Chen et al. 2018). In another study, Zhao et al. (2018a, b) thermally modified CF electrodes with a mixed solution of concentrated HNO3 and 30% H2ا2 in different volume ratios. The inoculum of MFCs was supplied from local domestic sewage. The modification decreased the anodic charge transfer resistance with a maximum PD of 785.2 mW/m 2 , which was 51.1% higher than the bare electrodes in the MFCs (Zhao et al. 2018a, b). Moreover, modification with conductive polymers such as polypyrrole and polyaniline was demonstrated for improving anodic biofilm formation. The polymer composites can increase electrode surface roughness, and also the presence of cationic nitrogenous groups in their composite structure can enhance cellular adhesion electrostatically (Fogel and Limson 2016). على سبيل المثال ، Li et al. (2018) introduced the polypyrrole nanowires coated by graphene oxide (PPy-NWs/GO) using a one-step electrochemical method. The performance of PPy-NWs/GO showed higher PD than PPy-NWs. Besides, the PPy-NWs/GO showed a more extensive biofilm of microbial attachment, which was owing to the GO nanosheet (Li et al. 2018). Razalli et al. (2017) pretreated the extracted crystalline nanocellulose of semantan bamboo with acid hydrolysis to synthesize a polyaniline/crystalline nanocellulose (PANI/CNC) electrode via in situ oxidative polymerization of aniline. The EIS results of PANI/CNC displayed a lower value of RCT (148 Ωcm 2 ) compared to the bare (177 Ωcm 2 ) and PANI (156 Ωcm 2 ) electrodes, which revealed that PANI/CNC incorporation could significantly reduce the charge transfer rate (Razalli et al. 2017). Moreover, nanoparticles, through a combination of the improved electrode surface, alteration of surface chemistry, and the presentation of electroactive moieties to the microbial cells have been used for improvements of the electrical current in MFCs (Fogel and Limson 2016). Ni, Pd, Au, and Fe2ا3 nanoparticles have been used to enhance the direct EET for performance improvement of MFCs (Fogel and Limson 2016). Further, carbon-based nanomaterials including carbon nanotubes (CNTs), carbon nanoparticles, and graphene have also been performed for improving cell/electrode interaction, and enhancing EET pathway in MFCs. Besides, the rational inclusion of nanomaterials as electrode material/modifiers could significantly improve the electricity generation of biomass-fueled MFCs. Graphene oxide (GO) with rich hydrophilic functional groups and possessing biocompatibility, superior electrical, mechanical, and optical properties has developed a strong electrochemical performance in MFCs (Yong et al. 2014). GO can react with organic or inorganic chemicals and to remove the oxygen atoms to form proxy groups, which results in reduced graphene oxide (rGO) sheet network. However, apart from chemical reduction of GO, there are many techniques (i.e., hydrothermal reduction, electrochemical reduction, solvothermal reduction, and microbial reduction) that can react with GO and expose the conjugated ص network and degrade the electrical properties of the GO dispersion to form rGO nanosheet (Yong et al. 2014). Nevertheless, the toxicity of some agents cannot be neglected. For example, chemical reduction requires a potent reducing reagent such as hydrazine hydrate (N2ح4), which is a highly corrosive material. Hence, the new strategies of GO reduction with biocompatible property and under mild-condition have been considered in recent studies. For example, Goto et al. (2015) reported the effect of GO on SMFCs (sediment) and PMFCs (plant) at different concentrations. Findings revealed a biological GO reduction after 10 days in GO-SMFCs under anaerobic incubation. The highest PD of GO-SMFCs containing 1.0 g/kg of GO was 40 ± 19 mW/m 2 . On the contrary, the GO reduction in PMFCs was much slower than GO-SMFCs, which exhibited a reduction in GO after 27 days of operation time (Goto et al. 2015).

Biocathode

Biocathode offers biocompatible, cost-effective, and promising material for many applications such as heavy metal removal and waste treatment. The use of biocathodes eliminates the need for expensive construction material and potentially toxic chemicals as catholyte, and further the necessity for their recycling and safe disposal (Gude et al. 2013). Algae play a crucial role in nitrogen and phosphorus cycles in waters. The use of algae to produce oxygen is being considered for exploiting its feasibility as an oxygen supplier for cathodic reaction in MFCs. In order, the produced CO2 by anode through biomass oxidation would be transferred to the cathode as a carbon source for algae growth by the photosynthesis process. Cui et al. (2014) utilized شلوريلا فولغاريس as biocathode. The maximum PD, and CE at 2500 mg COD/L could be obtained 1926 ± 21.4 mW/m 2 and 6.3 ± 0.2%, respectively. The use of biocathode would significantly reduce the cost of MFC and expand its applications (e.g., CO2 fixation, microalgae cultivation) in biomass-fueled MFC.

Genetically engineered microorganisms

Molecular biology techniques helped to clarify the pathways for electron transfer steps and also provide the possiblity to engineer microorganisms to use biomass as fuels for electricity generation. So far, various technical approaches including random approaches (i.e., directed evolution of redox enzymes, and silver/gold coating of cells), rational design (i.e., heterologous gene expression, engineering of metabolic processes, and engineering of bacterial pili), and de-novo design (i.e., bacterial surface display of redox proteins, yeast surface display of redox proteins, and hybrid MFC-enzyme based fuel cells) have been investigated for the genomic engineering of a novel or optimized biocatalysis in MFCs (Alfonta 2010 Zhao et al. 2020). Recently, Li et al. (2019) designed a bioengineered microbial consortium of الالتهاب الرئوي كليبسيلاس. oneidensis for efficiently harvesting of the electricity from corn stalk hydrolysate. The eliminating of the ethanol and acetate pathway via deleting pta (phosphotransacetylase gene) and adhE (alcohol dehydrogenase gene) genes could reinforce the lactate production in K. الرئوية. Also, a biosynthesis and delivery system for transporting lactate was assembled in this strain through expressing ldhD (lactate dehydrogenase gene) and lldP (lactate transporter gene). Thus, the engieered K. الرئوية could ferment the hydrolysate to lactate as fuel for electricity generation by S. oneidensis. Furthermore, to improve the EET efficiency of S. oneidensis, a heterogenous flavins synthesis pathway from العصوية الرقيقة was expressed in S. oneidensis. The genetically engineered microbial consortia showed high efficiency for electricity generation from biomass hydrolysate (Li et al. 2019). These findings demonstrate genetic engineered microorganisms would be promising to be adapted for biomass-fueled MFCs.

Coproduction of electricity with other energy products

It is well known that biorefinery of biomass only can harvest a limited fraction of the energy in the biomass, leading to low energy efficiency and a large quantity of wastes. It is a highly innovative approach in MFCs that electricity can be coproduced with other energy products, which can substantially improve the overall energy efficiency for biomass conversion with MFCs. It is reported that MFCs can further recovery the energy from the waste of biomass biorefinery (Offei et al. 2019). For example, a novel biorefinery approach involved the coproduction of bioethanol and electricity production from tropical seaweeds has been developed (Offei et al. 2019). The seaweed biomass was first used for bioethanol fermentation and then the bioethanol production residues were employed for bioelectricity generation in MFC. This combination process achieved coproduction of bioethanol as high as 5.1 g/100 g dry biomass and 0.5 W/m 3 power density, which also reduced waste to 24.4% from 69 to 79% for seaweed bioethanol production alone. More recently, the strategy of isolation and acclimation of a new exoelectrogenic yeast strain (Cystobasidium slooffiae JSUX1) could produce significant bioelectricity and biohydrogen production simultaneously with rapid xylose (secondary dominant sugar derived from biomass) metabolism in MFC, in which the produced electrons were harvested from H2 fermentation with xylose (Moradian et al. 2020). The coproduction of electricity and H2 is of great interest for application as these two energy products are obtained in a single operated MFC, which would significantly reduce the cost of reactor and operation.


Microbial Fuel Cell Reaction - Biology

Sample Research Paper on Microbial Fuel Cell

A Database of over Million Scholarly Resources. Start your Search Now

Sample Research Paper on Microbial Fuel Cell

Microbial Fuel Cell

In the contemporary world, germs or bacteria are strongly repelled at all costs. Children are advised to wash their hands with disinfectants and housekeepers advised to disinfect every item in the home to keep bacteria away. Industries also take caution of germs and are required to adhere to ISO standards of cleanliness. This means bacteria are never welcomed anywhere and is a wish for many that they cease to exist. However, bacteria are useful in a number of ways, and one of them is being harnessed to produce electricity. The production of electricity is effected through microbial fuel cell (MFC).

MFC is a budding technology with a promising future. It is effected through the use of bacteria from waste products to break down the waste products to generate power. The power realized from MFCs is clean and sustainable, and can be produced at a low cost. MFCs have other advantages, whereby apart from generating electric power, they assist in the reduction of pollution, as well aiding in water treatment procedures (Davis & Higson, 2007). Currently, MFCs are harnessed for water treatment and production of electric power concurrently. This paper will explore this technology in details.

Meaning of Microbial Fuel Cell

Microbial fuel cells utilize the power of bacteria, whereby the technology involves converting the energy from metabolic reaction into electric energy. The cell consists of two electrodes divided by a semi-permeable membrane. The electrodes are submerged in an electrolyte maintained at a certain level. A typical setup MFC used in the laboratory for experiments is shown in the diagram below:

Figure 1: A typical setup MFC (Logan, 2008, p. 2)

The two electrodes are connected using a wire and the negative electrode or anode has some bacteria growing on it. The bacteria at the anode break down waste products from food to yield electricity. The process that takes place in an MFC cell is self-sustaining because bacteria are the main agent of the process. As long as food for nourishing the bacteria on the anode are available, they will continue to replicate, and this implies that the system is self-sustaining and simple to maintain. At the same time, MFCs are very effective because they do not require specialized fuels. Simple food and sewage waste products are used as a source of fuel. Mostly a catalyst is applied to speed the reaction. Based on the mode of working, an MFC is, therefore, a system that facilitates the conversion of chemical energy to electric energy in the presence of a catalyst (Davis & Higson, 2007).

How a Microbial Fuel Cell Works

To comprehend how an MFC system works, the diagram in figure 2 will be used, as shown below:

Figure 2: how MFC system works (Logan, 2008, p. 4)

From the diagram above, the MFC is divided into aerobic and anaerobic chamber separated by a semi-permeable membrane. The aerobic chamber consists of a positive electrode, and has oxygen gas bubbled through it in the same way a fish tank works. The other aerobic section of the chamber has no oxygen and allows the negative electrode to be an electron receiver for bacterial process. The semi permeable membrane prevents oxygen from reaching the anaerobic chamber, but allows hydrogen ions to pass through (Logan, 2008).

To understand how the system works, the notations in diagram in figure 2 will be used to explain the working principle of the system. The notations 1, 2, 3, 4, and 5 illustrate each process that occurs in the sequence during the working process of the battery. Each step is defined below:

  1. Anode bacteria breakdown organic matter to release electron and hydrogen ions
  2. Electrons migrate from bacteria to the anode assisted by a mediator molecule.
  3. The electrons flow to the cathode from the anode through the wire. During the process of flow of electrons, electricity is generated. The generated electricity can be used to perform work, and thus, it is harnessed to the load.
  4. The hydrogen ions from the anode flow through a semi-permeable membrane to the cathode. This process is facilitated by electrochemical gradient, whereby the high concentration of hydrogen ions near the anode naturally flows to the cathode region where there is a low concentration.
  5. The electrons released from the cathode link with dissolved oxygen and hydrogen ions to form pure water (Logan, 2008).

In the anaerobic compartment, bacteria food in solution is circulated. Such food consists of compounds found in sewage and food waste, including glucose and acetate. The bacteria’s main role is to breakdown the food into useful products that are used in the production of electric power. In the first place, the part of the food molecule is broken down into carbon dioxide, hydrogen ions, and electrons (Logan, 2008). The procedure is displayed in the figure below:

Figure 3: The electron transport chain (Mercer, 2014, p. 25)

From the diagram, it can be seen that bacteria utilizes electrons to produce energy through electron transport chain. The electron transport chain is disrupted by a mediator molecule as a way of shuttling electrons to the anode. This means MFCs are an extension of a chain of electron transport, whereby the final step takes place outside the cell of the bacteria to facilitate harvesting of energy. This final step involves the formation of water from the combination of electrons, oxygen, and hydrogen ions (Mercer, 2014).

The electron transport chain shown in figure 3 can be explained using the notations 1, 2, 3, 4, and 5 as shown on the diagram. Each notation is explained below:

  1. The electron transport chain process commences with a biological transport molecule labeled NADH on the diagram. NADH releases an electron (e-) from a high energy level. It also releases a proton inform of hydrogen ion (H+).
  2. During the second stage, the electrons flow through a path denoted by a red line on the diagram. The red path passes through the large blobs (colored black in the diagram) in the membrane of the mitochondria.
  3. During the process of electron flow through each blob, hydrogen ions are pumped through the membrane.
  4. In a typical cell of bacteria, the electron proceeds along the red dotted line in the figure above and combines with oxygen to make water, but this is not the case in a microbial cell.
  5. In MFCs, the electron proceeds along the solid red path indicated in the diagram in figure 3, whereby it is picked by a mediator molecule and transported to the anode. This completes the process (Davis & Higson, 2007).
The Chemical Reaction

The reaction producing electricity in MFCs can be represented by an equation. First, it ought to be noted that microorganism produces water and carbon dioxide when they consume sugar in the presence of oxygen. However, in the absence of oxygen, the microorganism produces electrons, protons, and carbon dioxide. The process can be represented by the equation given below:

From the reaction above, it can be seen that the metabolic reaction process produces free electrons and hydrogen ions. The hydrogen ions created are united with oxygen to form water. The free electrons produced, on the other hand, are responsible for the producing of electricity in the cell. Microbial Fuel Cell utilizes mediators, explained in the previous section, to redirect the electrons produced into the conductor (Mercer, 2014).

History of a Microbial Fuel Cell

Professor M. C. Potter from the University of Durham is credited with the MFC concepts. As a botany professor, Potter was obsessed with the idea of obtaining electric energy from bacteria in 1911. Potter discovered that the electric energy was produced when organic matter decomposed and thus sort to investigate the phenomena in details. Potter, therefore, looked for ways of harnessing this energy for commercial use. In addition, little was recognized about the metabolic process of bacterial. Therefore, Potter came up with a primitive MFC that was later improved (Davis & Higson, 2007).

Since 1911, when MNC was first discovered, there was little improvement in the design for harnessing the energy for the commercial process until 1980. In 1980, Peter Bennetto and MJ Allen from Kings College in London improved the original MFC design by Potter. Bennetto and Allen were motivated by the quest to provide an inexpensive source of power to the developing nations. Therefore, they incorporated new development in the electron transport chain to understand the process. Also, they depended on the progression in technology to improve the physical design of the Microbial Fuel Cell, and the design they produced is still in the market today (Logan, 2008).

Although the advancement in MFCs was meant to improve developing countries, the technology is still in its pilot state in most countries. The main problem has been ways of simplifying the design to enable the rural population to use it. Nevertheless, there is an amplified interest in the growth of the technology among scientists (Mercer, 2014).

When scientists started working on the microbial fuel cell, one main issue that occupied their minds was how to transfer electrons from the electron transfer chain to the anode. When focusing on this issue, B-H Kim, a scientist from the Institution of Technology and Science in Korea realized that some bacteria species were active electrochemically. Such bacteria did not require one to use mediator molecule to facilitate the transportation of electrons to the electrodes. As a result, a new Microbial Fuel Cell was discovered. This MFC was cheap and eliminated the use of toxic and expensive mediators (Logan, 2008).

The current efforts in microbial fuel cells design and development is focused on optimizing electrode materials, bacteria combination, and the transfer of electrons in the cell. Although this technology was discovered 100 years ago, effort to utilize it on a commercial scale only started in 2000s. At the same time, the full understating of the process involved in the technology is a 21 st century innovation (Logan, 2008).

Types of Microbial Fuel Cell

Based on the historical account of MFCs and other the working principle of the technology, it can be seen that MFCs are divided into two categories mediator-less and mediator microbial fuel cells.

Mediator Microbial Fuel Cell

In this type of microbial fuel cell, the microbial cells used are inactive electrochemically. As a result, mediators are used for the electron transfer. Common mediators used on the market today include humic acid, methyl viologen, thoinine, and neutral red among others. These mediators are toxic and expensive (Logan, 2008).

Mediator-free MFCs

Mediator-free MFCs use bacteria that are active in terms of the electrochemical transfer. This means electrons are carried directly to the electrode from the respiratory enzyme of bacteria. There are various bacteria species with electrochemical qualities, and they include بكتيريا غازية قؤوبة و Shewanella Putrefaciens among others. Studies into mediator-less MFCs are new and still ongoing (Cai, Zheng, Qaisar, & Xing, 2014). Mediator-less MFCs have some limitations. Their optimal operations depend on a number of factors, and the first one is the condition of the system. Conditions, such as high temperature, varying pH and the concentration level of the electrolyte affects the way in which bacteria works. Another way through which mediator-free MFCs are affected is through the strain of bacteria is used. Little information is available on how bacteria can be enhanced to reduce the strain during the operation of the cell. At the same time, the type of membrane used is also an issue because a number of factors, which have not been realized, affect ion exchange through the membrane (Mercer, 2014).

Besides operating on wastewater, mediator-less MFCs can derive energy from certain plants. A system called plant MFC is used in this process. A sample system setup for a plant MFC is shown below:

Figure 4: plant MFC (Logan, 2008, p. 4)

A number of species of plants are used for operating this system, and they include tomatoes, algae, reed sweet grass, rice, and cord grass among others. The energy production in this case is in situ-energy, whereby the production of energy is done onsite. This means the process is used to the advantage of the environment (Logan, 2008).

Another type of mediator-less microbial fuel cell is the MEC or the microbial electrolysis cells. MECs works by reversing the process of MFCs, whereby it results in the production of methane rather than water. In this case, carbon dioxide is reduced by bacteria with the aid of electric energy to form compounds of carbon (Logan, 2008).

Application of Microbial Fuel Cell

Microbial Fuel Cell technology is applied in a number of cases as discussed below:

Power Generation

MFCs are used for harnessing electric power in various situations. However, the energy is produced on a low scale. The energy is also applied in a situation, whereby it is expensive to replace batteries in use. For instance, in wireless sensor networks, MFC is applied because it is effective and easy to maintain. MFCs are applied in various situations to replace battery power because they do not need one to recharge them, but are rather self-sustaining (Davis, & Higson, 2007).

تعليم

Microbial fuel cells that are based on plants are vital education tools. In the first place, their construction process is facilitated through a number of considerations drawn from various disciplines. Such disciplines include geochemistry, microbiology, and electric engineering among others. They are preferred because they can be constructed from the common or local material from the laboratories. Various kits have been designed for classroom use, as well as for corporate use. Most research tools in microbiology employ this technology (Davis & Higson, 2007).

مستشعر حيوي

Municipal wastewater is a common nuisance to the municipal governments because they must be treated and released in water. Microbial fuel cells are essential in this process because it involves waste digestion. Microbial fuel cells operate on the principle that is harnessed to measure the concentration of wastewater before being released to the water. As a biosensor, microbial fuel cells are utilized based on the principle that the current generated by the cell is directly proportional to the energy content of the wastewater. In this case, is it possible to ascertain the concentration of the solute in wastewater? The concentration of municipal wastewater is ascertained through the biochemical oxygen demand or BOD (Logan, 2008). A BOD sensor utilizing Microbial Fuel Cell technology is efficient and fast that conventional BOD sensors. According to a study by Zhang, Qiao, Miao, Yang, Li Xu, and Ying (2014), conventional BOD sensors take about five days to ascertain the BOD of waste waster compared to Microbial Fuel Cell BOD sensors, which takes less than five days.

Sewage treatment

According to a study by Zejie, Taekwon, Bongsu, Chansoo, and Joonhong (2014), wastewater in the sewage plant can be biologically treated using Microbial Fuel Cell. Studies into microbial fuel cells indicate that the system can digest the amount of organic components in the sewage for up to about 80%. The wastewater is cleaned to remove some toxins, and thereafter, taken through the bioreactor for microbial fuel cells treatment process. During the process of treatment, the waste is converted to electric energy and water. The electricity created is used to counterbalance the high cost of treating water and thus the process is made cheaper and justified.

Treatment of Brewery Wastewater

Wastewaters from brewing plants are rich in organic compounds, and thus, it is easy for one to treat it using MFCs. Wastewater from the brewery has constant substrate concentration and thus it is easy use MFCs to clean it. In the setup, all the wastewater is channeled to the chamber containing the system of microbial fuel cells. Electricity is generated from the process, and this ensures that the plant gains twice. In the first place, the plant obtains power to use in the plant. Thereafter, the company also ensures that its wastewater is cleaned for easy disposal. Australia is among the leading nations that have applied microbial fuel cell technology to treat brewery wastewater (Wu et al., 2013).

Production of Hydrogen

Microbial Fuel Cells technology can be applied in the creation of hydrogen that in turn can be used as fuel. However, the process is supported by external source of power for it to be effective. The external power source is used for converting the organic materials into hydrogen gas and carbon dioxide. The system used for producing hydrogen gas has two chambers just like the microbial fuel cell system. However, both chambers are made anaerobic, and enhanced by electric power of about 0.25 volts. According to a study by Li, Cheng, and Wong (2013), it was discovered that more than 90% of electrons and protons generated by bacteria at the anode are converted to hydrogen gas. The conventional methods used to produce hydrogen gas require electricity that is ten times higher than the energy used by microbial fuel cells for generating electricity.

استنتاج

Waste products, especially wastewater from breweries and municipal plants can be a nuisance to the environment. However, this paper has established that such waste products are useful because they are harnessed for producing electricity. Microbial fuel cells are an essential innovation because they have opened up opportunities for researchers in various disciplines. MFCs are simple to construct and are not expensive. MFCs have other advantages, whereby apart from generating electric power, they assist in the reduction of pollution, as well aiding in water treatment procedures.

مراجع

Cai, J., Zheng, P., Qaisar, M., & Xing, Y. (2014). Effect of operating modes on simultaneous anaerobic sulfide and nitrate removal in microbial fuel cell. J Ind Microbiol Biotechnol , 41, 795–802.

Davis, F., & Higson, S. J. (2007). Biofuel cells—Recent advances and applications. Biosensors & Bioelectronics, 22(7), 1224-1235. doi:10.1016/j.bios.2006.04.029

Li, X., Cheng, K., & Wong, J. C. (2013). Bioelectricity production from food waste leachate using microbial fuel cells: Effect of NaCl and pH. Bioresource Technology, 149452-458. doi:10.1016/j.biortech.2013.09.037

Logan, B. (2008). Microbial Fuel Cells. نيويورك: Wiley-Interscience.

Mercer, J. (2014). Microbial Fuel Cells: Generating Power from Waste. A review of engineering, 15 (2), 1-14.

Saharan, B., Sharma, D., Sahu, R., Sahin, O., & Warren, A. (2013). Towards algal biofuel production: a concept of green bio-energy development. Innovative Romanian Food Biotechnology, 121-21.

Thepsuparungsikul, N. N., Ng, T. C., Lefebvre, O. O., & Ng, H. Y. (2014). Different types of carbon nanotube-based anodes to improve microbial fuel cell performance. Water Science & Technology, 69(9), 1900-1910. doi:10.2166/wst.2014.102


الملخص

Microbial fuel cells (MFCs) that remove carbon as well as nitrogen compounds out of wastewater are of special interest for practice. We developed a MFC in which microorganisms in the cathode performed a complete denitrification by using electrons supplied by microorganisms oxidizing acetate in the anode. The MFC with a cation exchange membrane was designed as a tubular reactor with an internal cathode and was able to remove up to 0.146 kg NO3 - -N m -3 net cathodic compartment (NCC) d -1 (0.080 kg NO3 - -N m -3 total cathodic compartment d -1 (TCC)) at a current of 58 A m -3 NCC (32 A m -3 TCC) and a cell voltage of 0.075 V. The highest power output in the denitrification system was 8 W m -3 NCC (4 W m -3 TCC) with a cell voltage of 0.214 V and a current of 35 A m -3 NCC. The denitrification rate and the power production was limited by the cathodic microorganisms, which only denitrified significantly at a cathodic electrode potential below 0 V versus standard hydrogen electrode (SHE). This is, to our knowledge, the first study in which a MFC has both a biological anode and cathode performing simultaneous removal of an organic substrate, power production, and complete denitrification without relying on H2-formation or external added power.


3 Application-based models for MFCs

Although the mechanism-based models are able to optimise MFCs from basic principles, the computing time and complexity always limit the practical application. Hence, for engineering designers, some models based on the electrical characters of MFCs expressed by equivalent circuit (EC) model [ 38-41 ] and are used to achieve the electrical application. There are also some models developed from several typical reactions and experimental data of MFCs to acquire the best parameters and maximum power [ 42-46 ].

3.1 Electrical model

In electrical models, the EC model and power output curve are presented by classical electrical parameters of MFCs. The electrical model provides a novel analytical method particularly aims at the application in electronic and electrical way. For example, the EC model is applied to design the post-electrical circuit to achieve the energy harvesting or the maximum power tracking of MFCs (e.g. [ 47 , 48 ]).

The internal resistance influences the output performance of MFCs to a large extent has been reported and the most direct impact is reflected in the ohm losses [ 49 , 50 ]. To figure out the effect of internal resistance, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) is an effective tool to measure the value of internal resistance of an MFC [ 51 ]. However, the material of electrode is one of the factors that determine the internal resistance. Hernández-Flores وآخرون. [ 52 ] introduced a numerical relationship between the volumetric power of MFCs and specific surface area of anode, related the anode region to the output power, as well as internal resistance in a succinct expression based on Tafel equation. It is noticeable that the model was firstly proposed as alternative way to analyse the electrical performance of MFCs with anode surface area. Sindhuja وآخرون. [ 38 ] proposed two EC models for different materials of electrode. A lumped EC model for activated charcoal electrode and fitting EC model for graphite electrode were established both through the EIS measurement of cathode and anode and the calculation of anode overpotential. Yin وآخرون. [ 39 ] modelled the MFC operated under static magnetic field (MF) that contributed to induce several biological reactions in a microbial system [ 53 ]. The EIS was used to investigate the electrochemical reactions of the MFC and presented the EC model of anode, cathode, and entire system, respectively. The work of [ 41 ] improved the defect of EIS so that the cell disconnect to a potentiostat for the duration of measurement, which was a novel method to determine the value of charge transfer resistance and double-layer capacitor in MFCs. An EC model was introduced with the effect in terms of capacitor within electrode considered. Coronado وآخرون. [ 40 ] conducted the experiment that the MFC connected to the PWM external resistance (R-PMW). The existence of fast and slow dynamic component of the MFC was obtained via the analysis of the result, thus utilising the capacitor and resistance to establish the EC model. Although the electrochemical reactions were negligible in this model, it provided the dynamic process of relevant electrical performance.

3.2 Learning model

As the increasingly development of artificial intelligence and modern control theory, some models are established without much in-depth understanding of mechanism of MFCs instead, a few significant reactions and/or massive experimental data plays an essential role in modelling. These models facilitate designers to maximum the MFCs output and configure the MFCs with less bio-electrochemical knowledge, which contributes to improve the development of MFCs application.

In fact, MFCs have the slow dynamics character due to much electrochemical and biochemical reactions occurred, which requires a long period to acquire the experimental result. The experiment design approach has been therefore proposed to shorten the time of experiments. Fang وآخرون. [ 42 ] developed a modelling approach to optimise the power generation of MFCs with multivariable. The experiment was carried out by the uniform design method which determined four input variables with five levels and regarded the power density and coulombic efficiency as output variables. The model adopted relevance vector machine to acquire a mathematical model between the input and output variables through the result from 16 experiments. To speed up the rate of optimisation of model's parameters, accelerating genetic algorithm was selected to seek the maximum output variables and optimal reacting conditions. Another experimental design approach: the response surface design methodology (RSM), which was also employed to design the experiment of MFCs in [ 46 ]. The work introduced a Box–Behnken design approach to optimise the temperature, external resistance, the concentration of feed fuel, and the pH in anode chamber, maximised output power density simultaneously. The results from experiments could derive a quadratic mathematical model for an MFC by RSM meanwhile, the output power density achieved the maximum. To improve the shortcoming of the model that has long computational time, He and Ma [ 43 ] proposed a model based on data-driven Gaussian process regression for MFCs. The experiment design approach was firstly used to obtain a series of experiment data as the initial sample. The model applied the concentration of substrate, anodic feed rate, and current density as the input variables while the voltage as the output variable, and the accuracy and reliability of the model was validated by operating both in online and offline mode with different requirement of training samples and executive procedures.

Besides, the state estimation method was introduced with state-space model as well. A control-oriented model based on state space equation of an MFC was presented in [ 44 ]. The model set up the substrate concentration, biomass concentration, hydrogen ion concentration, and bicarbonate ion concentration as the state variables, combined the mass balances and voltage equation to establish the state-space equations. It was worth noting that the approach offered a way to deduce the model that is likely to employ the state estimation method (e.g. Kalman filter) to observe the parameters. In view of the more complexity of the MFC model, the more difficult it is for the process controlling and the parameter estimation, the model in [ 45 ] proposed a model combined the previous model mentioned competitive substrate consumption in different microbial population [ 6 ] and the EC model [ 38 ] into a bioelectrochemical–electrical model which could be applied to both the fast calculation process and the slow dynamic simulation.


The potassium hexacyanoferrate (III) solution is light-sensitive and should therefore be stored in a light-proof bottle or in a bottle wrapped in aluminium foil. It should not be kept for more than six months.

You may wish to store the cation exchange membrane in a bottle of distilled water so that it is ready to use. The water should be replaced from time to time if the membrane is stored for an extended period.

Dried yeast, even in a sealed container, has a limited shelf life. The supplier’s ‘best before’ date should therefore be observed.


شاهد الفيديو: How does a hydrogen fuel cell work? Cómo funciona una pila de hidrógeno? (كانون الثاني 2022).