پیل‌سوختی میکروبی
پیل‌سوختی
میکروبی (MFC) [Microbial Fuel Cell] یا پیل‌سوختی زیستی [biological fuel
cell]، یک سیستم بیو- الکتروشیمیایی می‌باشد که با کمک شبیه‌سازی
برهم‌کنش‌های باکتریایی موجود در طبیعت، تولید جریان می‌نماید.
یک
پیل‌سوختی میکروبی دستگاهی است که توسط واکنش کاتالیستی میکرو
اورگانیسم‌ها، انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند (Allen and
Bennetto, 1993). این پیل‌ها شامل بدنه کاتدی و آندی جدا شده توسط غشای
مخصوص کاتیونی می‌باشد. در بدنه آندنی، سوخت توسط میکروارگانیسم‌ها اکسید
شده، تولید الکترون و پروتون می‌نماید. الکترون‌های تولیدی از طریق یک مدار
خارجی و پروتون‌ها از میان غشاء به بدنه کاتدی منتقل می‌شوند. الکترون‌ها و
پروتون‌ها در بدنه کاتدی مصرف شده و برای تولید آب با اکسیژن ترکیب
می‌شوند. در مجموع، دو نوع پیل‌سوختی میکروبی وجود دارد که عبارتنداز
پیل‌های‌سوختی میکروبی واسطه و کم‌واسطه، که در آن‌ها گلوکز و متانول گرفته
شده از ضایعات غذایی، به هیدروژن تبدیل می‌شوند.
پیل‌سوختی
میکروبی واسطه: بیشتر پیل‌های‌میکروبی از نظر الکتروشیمیایی غیرفعال
می‌باشند و انتقال الکترون از آن‌ها به الکترود توسط واسطه‌هایی مثل
تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، هیومیک اسید، قرمز خنثی (Netutral red) و
... تسهیل می‌یابد. اکثر واسطه‌های موجود گران و سمی می‌باشند.
پیل‌سوختی
میکروبی کم‌واسطه: پیل‌های‌سوختی میکروبی کم واسطه در انستیتوی علوم و
تکنولوژی مهندسی کشور کره توسط تیمی تحت رهبری Kim، Byung و Hong تهیه شده
است. این پیل‌ها نیاز به واسط ندارند ولی از باکتری فعال الکتروشیمیایی
برای انتقال الکترون‌ها به الکترود استفاده می‌نمایند (الکترون‌ها مستقیماً
از آنزیم تنفسی به الکترود حمل می‌شوند). در میان باکتری‌های فعال
الکتروشیمیایی، Shewanella putrefaciens، (Kim et al.799a)، Aeromonas
hydrophila (Coung et al.0,2003) و ... مهم‌ترین آن‌ها می‌باشند. بعضی از
باکتری‌ها، که روی غشای خارجی خود دارای توده (Pili) می‌باشند، قادر به
انتقال الکترون تولیدی خود از طریق آن‌ها می‌باشند. با توجه به جدید بودن
MFCهای کم واسطه فاکتورهایی که عملیات بهینه آن را تحت تأثیر قرار می‌دهند،
مثل باکتری استفاده شده در سیستم، نوع غشای یونی و شرایط سیستم همانند
دما، کاملاً مشخص نشده است. باکتری‌های MFC کم واسطه معمولاً آنزیم‌های
اکسایش- کاهشی فعال الکتروشیمیایی مثل سیتوکروم‌ها را روی غشای خارجی خود
دارند و می‌توانند با استفاده از آن‌ها الکترون‌ها را به مواد خارجی انتقال
دهند.
الکتریسیته تولیدی
زمانی
که میکرواورگانیسم‌ها جزء مورد عمل خود را، مثل شکر، در شرایط هوازی مصرف
می‌نمایند تولید اکسیدکربن و آب و در شرایط غیر هوازی، همان‌گونه که در زیر
توضیح داده شده است، تولید دی‌اکسیدکربن، پروتون و الکترون می‌نمایند
(Bennetto, 1990):
معادله 1:
پیل‌های‌سوختی
میکروبی از واسطه‌های غیرآلی برای حمل الکترون‌های تولید استفاده
می‌نمایند. واسطه از غشاءهای خارجی چربی سل و دیوار پلاسما عبور می‌کند؛ پس
شروع به رها کردن الکترون‌ها از زنجیر حامل الکترون که معمولاً توسط
اکسیژن یا سایر واسطه‌ها جذب شده است، می‌نماید. واسطه‌ای که هم‌اکنون
کاهیده شده، پیل دارای بار الکترون‌ها را ترک نموده و به سمت الکترود مخالف
حرکت می‌کند؛ آزاد‌سازی الکترون‌ها به این معناست که واسطه به حالت اکسید
شده اصلی خود بازگشته و برای تکرار فرآیند آماده است. ذکر این نکته مهم است
که تحت شرایط بی‌هوازی، وجود اکسیژن به دلیل الکترونگاتیوی بالاتر باعث
جمع نمودن تمامی الکترون‌ها می‌شود.
در
یک عملیات پیل‌سوختی میکروبی، آند پذیرنده نهایی الکترون است که توسط
باکتری در محفظه آندی تشخیص داده می‌شود. بنابراین، فعالیت میکروبی شدیداً
به پتانسیل اکسایشی- کاهشی آند بستگی دارد.
تعدادی از واسطه‌های پیشنهادی برای استفاده در پیل‌سوختی میکروبی عبارتنداز: neutral red، methylene، thionine یا resorfuin
برای
تولید یک جریان مفید لازم است که یک مدار کامل ایجاد شود و تنها نقل و
انتقال الکترون به یک نقطه واحد، صورت نگیرد. جزئیات فرآیند به این صورت
است که واسطه و میکروارگانیسم، در محلولی شامل جزء مناسب مورد عمل، مانند
گلوکز، با یکدیگر مخلوط می‌شوند. این مخلوط در یک محفظه عایق برای جلوگیری
از ورود اکسیژن قرار داده شده و بنابراین میکروارگانیسم مجبور به استفاده
از یک تنفس غیر هوازی می‌شود. در ادامه الکترودی در محلول قرار می‌گیرد و
همان‌گونه که قبلاً توضیح داده شد، به عنوان آند عمل می‌کند.
در
محفظه دوم MFC، محلول و الکترود دیگری وجود دارد. این الکترود که کاتد
نامیده می‌شود، با بار مثبت شارژ شده و معادل منبع اکسیژن در انتهای زنجیر
حامل الکترون می‌باشد. محلول مورد استفاده یک عامل اکسید کننده است که
الکترون‌ها را از کاتد برمی‌دارد. همانند زنجیر الکترونی درون پیل‌مخمر، در
این‌جا نیز زنجیرها می‌توانند تعدادی از مولکول‌ها مثل اکسیژن باشند.
هرچند، این مسئله چندان عملی نمی‌باشد زیرا نیازمند حجم بزرگی از گاز در
گردش است. گزینه مناسب‌تر استفاده از محلولی از عامل جامد اکساید کننده
می‌باشد.
متصل
کننده دو الکترود سیم (یا مسیر دیگر هادی الکتریسیته که می‌تواند شامل چند
دستگاه الکتریکی مثل لامپ برق باشد) و کامل کننده مدار و اتصال دهنده دو
محفظه یک پل نمکی یا غشاء تبادل یون می‌باشد. ترکیب آخر باعث تولید
پروتون‌ها شده، همان‌گونه که در معادله 1 توصیف شد، برای عبور از محفظه
آندی به محفظه کاتدی استفاده می‌شود.
واسطه
کاهیده، الکترون‌ها را از پیل به الکترود حمل می‌نماید و در این‌جا با
ته‌نشین نمودن الکترون‌ها اکسید می‌شود. پس از طریق سیم به سمت الکترود دوم
که به عنوان منبع الکترون عمل می‌کند، جاری می‌شوند و از آن‌جا به سمت
ماده اکسید کننده عبور می‌کند.
موارد مصرف
پیل‌های
سوختی میکروبی پتانسیل استفاده در مواردی را دارا می‌باشند. اولین
آشکار‌ترین مورد استفاده آن‌ها، تولید الکتریسیته برای یک منبع انرژی است.
در واقع هر ماده آلی می‌تواند به عنوان خوراک به پیل‌سوختی استفاده شود.
MFCها می‌توانند در کارخانجات تصفیه فاضلاب نصب شده و با مصرف مواد زائد آب
توسط باکتری‌هاشان تولید نیروی مکمل برای آن کارخانه نمایند. مزایایMFC ها
استفاده از روشی بسیار تمیز و کارآمد برای تولید انرژی می‌باشند. آلایندگی
پیل‌سوختی کمتر از میزان تعیین شده در مقررات است، همچنین MFCها بسیار
مؤثرتر از موتور‌های احتراق استاندارد، انرژی را مصرف می‌نمایند. در تئوری
بازده انرژی یک MFC بسیار بیشتر از 50% می‌باشد.
اگرچه
MFCها در مقیاس بالا استفاده نمی‌شوند، چون الکترودها در بعضی موارد تنها 7
میکرومتر ضخامت 2 سانتی متر طول دارد. مزایای استفاده از MFCها در این
شرایط برخلاف یک باتری نرمال، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و عدم نیاز
به شارژ مجدد می‌باشد. علاوه‌بر آن به خوبی در شرایط ملایم یعنی دمای
cº40-20 و PH=7 قابل استفاده می‌باشند. با وجود برتری بیشتر نسبت به
کاتالیست‌های فلزی، برای کاربردهای بهداشتی طولانی مدت مانند دستگاه تنظیم
کننده ضربان قلب، چندان متداول نیستند (Biotech/Life).