AI tools

Мікробні паливні елементи

З Вікіпедії, вільної енциклопедії

Мікробні паливні елементи

Мікробні паливні елементи (МПЕ) — біоелектрохімічні системи, які використовують живі мікроорганізми, зазвичай бактерії або археї, для каталізу окиснення органічних речовин і виробництва електроенергії. Ці пристрої поєднують біологічні процеси з електрохімічними реакціями з метою генерації електричної енергії. Одним із ключових компонентів МПЕ є біоанод, де мікроорганізми окислюють органічні сполуки, такі як глюкоза чи органічні кислоти, і в результаті цього виділяють електрони.

Thumb
Мікробні паливні елементи

Мікробні паливні елементи мають потенціал для виробництва чистої енергії з стічних вод[1][2], органічних відходів[3] чи біомаси, що робить їх об'єктом інтересу для відновлюваних джерел енергії[4], екологічної енергетики та сталого розвитку.

Мікробні паливні елементи досліджуються і розвиваються в галузі біоенергетики та електрохімії і можуть мати потенціал для створення ефективних та сталих джерел енергії.[1]

Принцип роботи

Типовий мікробний паливний елемент складається з двох камер – анодної та катодної, які розділені йонообмінною мембраною. Анодна камера з електродом заповнюється субстратом разом з мікроорганізмами. В анодній камері має бути створено анаеробні (безкисневі) умови, а також передбачено газовідвід для видалення газоподібних продуктів життєдіяльності мікроорганізмів. Катодна камера з електродом заповнюється розчином електроліту, в ній створюються аеробні (кисневі) умови.

При споживанні субстрату мікроорганізмами в анаеробних умовах, разом з іншими продуктами метаболізму, в середовище анодної камери виділяються електрони та іони водню (протони). Електрони переносяться на електрод анодної камери безпосередньо з бактеріальної клітини або за допомогою медіаторів. Одночасно протони проходять через йонообмінну мембрану до катодної камери. Дифузія іонів H+ з анода на катод створює високий електрохімічний градієнт. В катодній камері відбувається відновлення кисню, прийом електронів і протонів, що сприяє дифузії іонів H+ з анода на катод. При замиканні кола електрони проходять через зовнішній контур від анода до катода, створюючи електричний струм.

Історія

Узагальнити
Перспектива

Вперше продукування електроенергії мікроорганізмами було досліджено професором ботаніки Міхаелем Поттером у 1911 році. У серії простих експериментів він спостерігав, як дріжджі Saccharomyces cerevisiae продукували електроенергію метаболізуючи глюкозу або сахарозу. Поттер також виявив цей феномен з бактеріями Escherichia coli. Отримана напруга не перевищувала 0,5 В, не зважаючи на збільшення об’єму паливного елементу або розміру електроду.

У 1931 році Бернет Коен з’єднав між собою багато малих (об'ємом 10 мл) мікробних паливних елементів та отримав загальну напругу на рівні 35 В та силу струму 2 мА. Його установка була занадто складною для того, щоб отримати практичне застосування.

З розвитком космонавтики у 1960-х роках ідея отримання електроенергії за допомогою мікроорганізмів була знову відроджена. Було запропоновано використовувати мікробні паливні елементи при довготривалих космічних місіях для утилізації відходів людини з отриманням електроенергії.

У 1980-х роках важливим поштовхом в розробці мікробних паливних елементів стало додавання до системи медіаторів електронів (нейтральний червоний, метиленовий синій, хелат заліза тощо), які дозволили значною мірою підвищити вихідну напругу та силу струму.

Найбільш значимим етапом у досліджені мікробних паливних елементів наприкінці 20-го століття стало відкриття бактерій, здатних напряму передавати електрони на анод.

У 2020 році в Scientific Reports була опублікована статтяб що описує створення низьковольтного бустерного підсилювача, який є ефективним для збору енергії та накопичування енергії, для малопотужних мікробних паливних елементів.[5]

Перспективні технології

Узагальнити
Перспектива
Thumb
МПЕ для виробництва біоводню

Мікробні паливні елементи (МПЕ) є унікальними електрохімічними пристроями, які використовують біологічні процеси для виробництва електроенергії. Нижче наведено список перспективних технологій та методик, що розвиваються в цій галузі:

  1. Синтетична біологія для оптимізації мікроорганізмів: Використання синтетичкої біології для створення спеціалізованих мікроорганізмів, які мають покращені електрохімічні властивості та ефективність в МПЕ.[6][7][8]
  2. Біоаноди та біокатоди другого покоління: Розробка біоанодів і біокатодів, які забезпечують вищу швидкість окислення та відновлення органічних сполук, підвищуючи виділення електроенергії.[9][10][11][12]
  3. Використання екзоферментів: Впровадження зовнішніх ферментів, які допомагають у збільшенні робочого діапазону МПЕ та підвищенні ефективності.[13]
  4. Матеріали для іонно-провідних мембран: Розробка нових іонно-провідних матеріалів, які підвищують швидкість передачі іонів у МПЕ і знижують внутрішні опори.[14][15][10][16][17]
  5. Системи для керування та моніторингу: Розробка інтегрованих систем керування та моніторингу для оптимізації роботи МПЕ та забезпечення стабільності роботи.[18][19][20]
  6. Біореактори для культури мікроорганізмів: Вдосконалення біореакторів для ефективного вирощування бактерій та археїв, які використовуються в МПЕ.[21]
  7. Біодизайн електродів: Розробка нових матеріалів та дизайну електродів для підвищення каталітичної активності та стабільності МПЕ.[22][23]
  8. Інтеграція з іншими відновлюваними джерелами енергії: Розробка систем, що дозволяють інтегрувати МПЕ з іншими джерелами відновлюваної енергії, такими як виробництво біоетанолу[24] та біоводню[25][26].

Див. також

Джерела

  • L. Benedict Bruno, Deepika Jothinathan, M. Rajkumar Microbial Fuel Cells: Fundamentals, Types, Significance and Limitations // Microbial Fuel Cell Technology for Bioelectricity / [Ed. by Venkataraman Sivasankar, Prabhakaran Mylsamy Kiyoshi Omine]. – Springer, 2018. – P. 23–48.
  • Kun Guo, Daniel J. Hassett, Tingyue Gu Microbial Fuel Cells: Electricity Generation from Organic Wastes by Microbes // Microbial Biotechnology: Energy and Environment / [Ed. by Rajesh Arora]. – CAB International, 2012. – P. 162–189.

Додаткова література

Книги

Журнали

Статті

Примітки

Wikiwand - on

Seamless Wikipedia browsing. On steroids.