בעוד העולם מתמודד עם פסולת אורגנית עולה וביקוש הולך וגובר לאנרגיה נקייה, מהפכה שקטה היא מבשלת בתחום הביואלקטרוניקה. Microbial דלק Cells (MFCs) מציעים גישה טרנספורמטיבית על ידי הפיכת חומר אורגני - החל מהבב העירוני ועד לשכונות חקלאיות - באופן ישיר לתוך חשמל.

המדע שמאחורי תאי דלק מיקרוביאליים

[ב] הליבה שלה, MFC הוא ביולוגי שממיר אנרגיה כימית מאוחסנים ב substrates אורגניים לאנרגיה חשמלית באמצעות פעולה קטליטית של מיקרואורגניזם. החיידקים הפעילים אלקטרוכימיים האלה, הנקראים לעתים קרובות exoelectrogens, מסוגלים להעביר אלקטרונים מחוץ לסביבות תא שלהם micrombranes כדי aade מוצק.

אלקטרון מעבירה את מכניזם

Exoelectrogens להשתמש כמה מסלולים כדי לספק אלקטרונים לתוך aode. אלה כוללים מגע ישיר באמצעות חיצוני-membrane cytochromes, nanowires התנהגות (פילי), ומעבורות אלקטרוניות כגון riboflavin. כאשר חיידקים מטבוליט תרכובות אורגניות כמו גלוקוז או aceate in the aode, הם משחררים אלקטרונים, פרוטונים, פחמן דו חמצני, בעוד זרם אלקטרונים, תוך כדי תנועה אלקטרונית, תוך כדי תנועה אלקטרונית, תוך כדי תנועה אלקטרונית, או זרם חשמלי (אופטורה) דרך אלקטרון זרם אלקטרונים, אך זרם אלקטרונים, אך זרם אלקטרונים, אך זרם אלקטרונים, תוך כדי תנועה כולל של אלקטרון, תוך כדי תנועה.

התרמודינמיקה והנינטיקולות

המתח שנוצר על ידי תא MFC יחיד בדרך כלל נע בין 0.3 ל 0.8 V, בהתאם לקהילה substrate, מיקרוביאלית, תנאי תפעול. בעוד מתח זה נמוך, ערימה תאים מרובים בסדרה או מקבילה יכול לייצר ניתנות כוח ניתן לניתוק.היעילות התיאורטית המקסימלית של MFC היא גבוהה (יותר מ 70% עבור העברה ישירה), אבל יעילות בעולם האמיתי לעתים קרובות נמוך יותר מאשר על פני אלקטרו-סגולות, הן של השפעות אלקטרו-משפטיות, הן של ריכוזיות, הן של ריכוזיות של האלקטרו-משפטיות.

Key Insight: The power density of MFCs has increased from milliwatts per square meter in early prototypes to over 3,000 mW/m² in advanced laboratory configurations, thanks to better electrode materials and optimized reactor designs.

קובצי דלק מיקרוביאליים

MFCs בנויים במספר ארכיטקטורות, כל אחד עם יתרונות נפרדים וחילופי מסחר.הבחירה של תצורה משפיעה מאוד על ביצועים, עלות והיקף.

המונחים: Dual Chamber MFCs

מסורתי שני צ'מבר MFC מפרידים את תא ה- aode ו- Cathode עם מזכר החלפת פרוטון (PEM) עיצוב זה מונע חמצן להדליף לתוך השבר (אשר היה לשדוד חיידקים של אלקטרונים) ומאפשר שליטה מדויקת על התנאים.עם זאת, membrane מוסיף התנגדות ועלות, והוא יכול להיות מופרע על ידי metabolites כפול.

סינגל: Single-Chamber MFCs

יחיד-chamber MFCs להסיר את המרחץ לחשוף את ה aode ישירות אל האוויר-cathode. סימולטור זה להפחית את העלות ואת ההתנגדות הפנימית, מה שהופך אותם אטרקטיבי יותר עבור יישומים מעשיים.המסחר הוא סיכון גבוה יותר של דיפוזיה חמצן עד השבר, אשר יכול להוריד יעילות קומולבית.

Mediator-Less vs. Mediated MFCs

בתחילת עיצובי MFC, מתווך סינתטי (למשל, אדום נייטרלי) נוספו לאלקטרונים מעבורת מהחיידקים אל הרוד. רוב ה- MFC המודרניים הם חסרי אמצעי תקשורת, להסתמך במקום על היכולת הטבעית של exoelectrogens להעביר אלקטרונים ישירות או באמצעות מעבורות אוטונומיות.מערכות ללא תשלום מדיה הן פשוטות יותר, זולות יותר, סביבתיות יותר, למרות שהם דורשים קהילה מיקרו-ביפאונדית היטב.

MFC Stacks and Scale-Up Designs

כדי להשיג מתחים שימושיים מאוד זרמים, יחידות MFC בודדים מקובצים - בדיוק כמו סוללות כימיות. Stack תצורה כוללים סדרה, מקבילה, היברידיות שווה סדרה.עם זאת, בעיות כגון מתח חוזר (כאשר תא אחד מתחת לפורפורפורפורמות) ועיגולים קצרים ionic יש לנהל בקפידה את זרם זרם-דרך עיצובים מתקדמים, כגון אמבטיות סלולאריות או שטוח MFC, לשפר את המסה, ולהקטין את רוב מערכות הפיילוט כיום.

יישומים שונים מעבר לטיפול בשפכים

בעוד טיפול במים פסולת נשאר יישום הדגל, MFCs להוכיח צדדי על פני מגזרים רבים.

טיפול במים ואנרגיה התאוששות

תהליכים סחפים מופעלים האמנה צורכים כמויות גדולות של אנרגיה עבור aeration. MFCs יכול לטפל שפכים באופן רציונאלי או אנרגואלי בעת יצירת חשמל, שעלולה לגרוע עד 50% מהביקוש לאנרגיה של צמח הטיפול. ניסויים שדה עם ביוב אמיתי הוכיחו הביקוש כימי (COD) הסרת עלייה של 80% יחד עם פלט חשמל מתמשך.

סליחות ו-Soil Remediation

Sdiment MFCs (SMFCs) הם פרוסים ישירות במשקעים טבעיים - כגון קרקעית הנהר, estuaries, או אדמה מזוהמת - שבו הם remediateמזהמים כמו פחמימנים נפט, מתכות כבדות, ו תרכובות chlorinated. MFC נקבר במשקעים אנירוביים, בעוד קטודות צפים במים אלקטרו-מדומים.

Biosensors for Environmental Monitoring

מכיוון שהתפוקה הנוכחית של MFC היא פרופורציה לריכוז של דלק אורגני זמין, הם יכולים לשמש ביוסנסורים המופעלים על ידי עצמם.לדוגמה, חיישן מבוסס MFC יכול לזהות את הביקוש לחמצן הביוכימי (BOD) של גופי מים בזמן אמת, התראה על מפעילי אירועים בזיהום.מכשירים אלה אינם דורשים מקור חשמל חיצוני ויכולים לשדר נתונים אלחוטיים, מה שהופך אותם אידיאליים עבור רשתות ניטור מרחוק.

Powering Remote and Off-Grid

חיישנים בעלי כוח נמוך, צגים סביבתיים ואפילו נורות LED קטנות יכולים לרוץ ברציפות עם MFC באמצעות פסולת אורגנית זמינה מקומית. באזורים המתפתחים ללא חשמל רשת אמין, MFC יכול להיות ניתוחי איכות מים, תחנות מזג אוויר או מערכות טלמטריות. חוקרים באוניברסיטת באמבט הוכיחו מערכת המופעלת על ידי MFC עבור ניטור קרקעות בשדות (LTF:0 של שחרור מרחץ) 1F.

יתרונות לפיתוח בר-קיימא

MFCs מציעים תערובת ייחודית של יתרונות סביבתיים וכלכליים התואמים עם מטרות הפיתוח של האו"ם (SDGs), במיוחד SDG 7 (אנרגיה נקייה ונקיה) ו- SDG 6 (Clean Water ו- Sanitation).

  • ייצור האנרגיה של הקרבון-נייטרלי: ההרחבה פחמן 1 (FLT:0) המשוחררת במהלך חילוף החומרים המיקרוביאלי היא ביוגנית – הוא נלכד במקור על ידי צמחי ההזנה האורגניים – כך ש- MFCs לא מוסיפים CO2 לרשת.
  • דור ה-FLT:0 (Low ⁇ ) השווה לטיפול אירובי, MFCs מייצרים עד 90% פחות מעודף, צמצום עלויות הסימון והנטל הסביבתי.
  • (FLT:0) מבצע בטמפרטורות ממושכות: FLT:1 בניגוד לעיכול אנאירובי הדורש לעתים קרובות חימום, רבים מ- MFC פועלים ביעילות ב-20-35 מעלות צלזיוס, וחיסכון באנרגיה.
  • ייצור חשמל:0 (FLT:1) ללא בעירה, ניקוי גז או טורבינות נעות, כלומר פעולה שקטה, נמוכה.
  • (FLT:0)פונטי לשיקום משאבים: FLT:1 לצד חשמל, MFCs יכול להתרכז חומרים מזינים כמו זרחן וחנקן מזרמים פסולת, המאפשר שחזור דשן.

יתרונות אלה הופכים את MFC אטרקטיבי במיוחד לטיפול פסולת מבוזר באזורים כפריים או פריבן שבהם חסר תשתיות מרכזי.

אתגרים ומחקר גבולות

למרות תוצאות מעבדה מרשימים, MFC מתמודדת עם מספר מכשולים המונעים אימוץ מסחרי נרחב.

הכח הנמוך והאנרגיה התאוששות

האתגר הקריטי ביותר הוא צפיפות האנרגיה הנמוכה יחסית – באופן זמני בין עשרות למאות מ"ט למטר רבוע של אזור אלקטרודה.להשוואה, פאנל סולארי אחד יכול לייצר מעל 150 W/m2. כדי להיות בעל יכולת כלכלית, MFCs צריכים להגיע לתנודות חשמל של לפחות 1,000 מ"ו / m2 ברמת מערכת.

חומרים אלקטרודה ועלויות

חומרים המבוססים על פחמן (graphite, פחמן בד, פחמן תחושה) מועדפים בשל ביו-תחרותיות טובה שלהם, אבל הם יכולים להיות יקרים לשימוש בקנה מידה גדול. פלדה ללא פחמן קצף ניקל זול יותר אבל פחות עמיד במי פסולת קורוזית. חומרים מתקדמים כמו אלקטרודות גרף-מתונות ומבצעת פולימרים להראות מבטיח אבל הם עדיין יקרים מדי עבור פריסה מסחרית.

הנדסה ביופיל ויציבות

הביופילם המיקרוביאליים על הווד הוא הלב של MFC. שמירה על ביופיל עבה, פעיל ומגוונים במשך חודשים או שנים במי שפכים אמיתיים - אשר יכול להשתנות בהרכב, טמפרטורה, pH, ועומס רעיל - הוא לא טריוויאלי. חוקרים משתמשים בטכניקות כגון שליטה פוטנציאלית חשמלית, רעב תקופתי, וזרימה עם קונסורציונל מיוחד לייצוב ביצועים גנטיים של הנדסה אלקטרונית.

Membrane Fouling and Degradation

ב- ®MFCs כפול, ה- Proton Exchange membrane (בדרך כלל Nafion) נוטה ל- biofouling וכימיקלי השפלה. Alternatives כוללים membranes אולטרה-מסומט, membranes קרמיקה, או אפילו membrane-less designs. Single-chamber MFCs להימנע מבעיה זו אבל חייב להתמודד עם חמצן מתקדם.

אינטגרציה ומערכת

מעבר ממעבדות (מילנים היברידיים לליטר) לסולק (המכונים אלפי ליטרים) מציג אתגרים הנדסיים רציניים (איורים כגון המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) כבר מודלים באופן פעיל MFC Scale-up, כפי שמדגישים את מדדי ה-FLT שלהם:0article על התאוששות אנרגיה MFC:1LT בעיות כוללות שמירה על זרימה אחידה, מיני מתחים, והפסדים, אשר משלבים בעלי השפעה יעילה, עם מחסנים, או מערכות בקרה אלקטרוניקה.

פריצות דרך וחדשנות

כמה התפתחויות מרגשות בשנים האחרונות מראות כי MFC נמצאים על סף של קפיצה משמעותית של ביצועים.

אלקטרודות

ננו-חומרים כגון צינורות פחמן, גרפן ננוגליון, ו- תחמוצת מתכת ננווטים באופן דרמטי להגדיל את שטח פני השטח של אלקטרודה ופעילות קטליטית. חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה פיתחו התמוטטות קצף 3D גרפן-ניקל שהשיגה צפיפות כוח של מעל 4000 מ"ר / m2 בבדיקות מעבדה (Fve:0review של אלקטרודות מבוססות גרף מ"מ"מ:1FLT).

ביולוגיה סינתטית והנדסה גנטית

על ידי שינוי הגנום של exoelectrogens, מדענים יכולים לשפר את קצב העברת אלקטרונים, להרחיב את טווח substrates ניתן למדידה, ואפילו לתכנן את החיידק לעיכול קולוטריאנטים כמו lignin. לדוגמה, זן מהונדס גנטית של FLT:0 ShewanellaFLT:1 כי overproduces riblavin הוכח להכפיל את הכוח של אסטרוגן עדיין יכול להיות מותאם סטנדרטית.

תאים של דיסדה-אטומית

טכנולוגיית ספין- off, תא הדה-הפלה המיקרוביאלי (MDC), משתמשת בשדה החשמלי שנוצר על ידי MFC כדי להניע הגירה של יון על פני סדרה של membranes, בו-זמנית טיפול במי פסולת ו desalinating מלח.מחקרים עדכניים של הטייסים השיגו שיעורי הסרת מלח של מעל 60% ללא קלט חשמלי חיצוני.

שילוב עם מערכות חדשות

MFCs משולבים יותר ויותר עם פאנלים סולאריים, טורבינות רוח ומערכות אחסון אנרגיה כדי ליצור מיקרו-צמחים היברידיים.זרם הפסולת האורגני מספק כוח בסיס, בעוד מתחדשים להתמודד עם עומסי שיא.דוגמה בולטת היא פרויקט בהודו שבו ערימה של 20 ליטר MFC מעצימה תחנת מזג אוויר חכמה, טעינה סוללה ליתיום במהלך היום ו decharging בלילה.

אפשרויות לעתיד והדרך לשיווק

במבט קדימה, אימוץ נרחב של MFC יהיה תלוי בהשגת שוויון כלכלי עם טיפול פסולת קיים וטכנולוגיות אנרגיה. עלות נוכחית הערכות עבור טווח חשמל מ- MFC-generated מ $ 10 עד 030 ל- קילוואטה - תחרותי עם השמש באזורים רבים אבל עדיין גבוה יותר מאשר חשמל רשת במדינות מפותחות.עם זאת, כאשר הערך של הימנעות מהוצאות טיפול במים, חיסכון סלפי פחמן ואשראי הם גורם חיובי, שיפור בתפיסה הכלכלית.

מודלים כלכלה מעגלית

(מ-FCs מתאימים באופן טבעי לכלכלת מעגלית על ידי סגירת הלולאה בין פסולת ואנרגיה.לדוגמה, מבשל יכול להשתמש בגרגר המבזבז שלה ובשפכים של MFC כדי לייצר חשמל להתחדשות, תוך שיקום מים נקיים וחומרים מזינים לחקלאות.מערכות משולבות כאלה יכולות להיות פרוסות בעיבוד מזון, חלב ונייר.

נהגים ונהגי שוק

מדיניות ממשלתית אשר מרחיבה את האנרגיה המתחדשת ואת גבולות שחרור הפסולת הקפדנית יותר תיצור תנאים נוחים עבור שיווק MFC.לדוגמה, תוכנית האנרגיה של EPA עבור כלי מים כבר מעודדת יעילות אנרגיה.

חזון ארוך-טווח

בעשור הקרוב, אנו עשויים לראות יחידות MFC מודולריות פרוסות במפעלי טיפול במים בקנה מידה קהילתי, במערכות ביוגז חקלאיות, ואפילו במכשירים צרכניים כגון קומפוסטרים מטבחיים המייצרים מספיק חשמל כדי לטעון טלפון. מראשים בייצור תוספים (3D מודפס רכיבי MFC) ועיצובי חומרה קוד פתוח יפחיתו את המחסום לחדשנות עממית.

סקירה מקיפה של התקדמות MFC ומפת הדרכים ניתן למצוא בכתב העת (FLT:0Bioresource TechnologyFLT:1 (ראה FLT:2) "תאים דלק מיקרוב: מיסודות ליישומים. A review"FLT 3).

מסקנה

תאי דלק מיקרוביאליים מייצגים שינוי פרדיגמטי באופן שבו אנו רואים פסולת – לא כבעיה להיות מרוסנת, אלא כמשאב לקוצר רוח.על ידי רתום היכולת המולדת של חיידקים להמיר חומר אורגני לחשמל, MFC מציעים נתיב ליצרניות אנרגיה מבוזרות, בר קיימא אשר משלים אתגרים קיימים בדחיסות כוח, עלות, עלות, והיקף, הקצב של המדעים הנמוכים, הוא כבר גורם מרכזי של פיתוח מיקרו-תועלתי, כמו גם כן, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים של הנדסה מיקרו-תועלתיים.