リモート抽出操作における微生物燃料電池の可能性

油とガス、鉱業、または水ポンプであれ、信頼性の高い持続可能な電力と戦う。 ディーゼル発電機は、実行に費用がかかり、頻繁なメンテナンスを必要とし、排出物を生み出す。 グリッドの拡張は、大きな距離にわたって非現実的です。 微生物燃料電池(MFC)は、細菌の代謝活性を利用して、有機廃棄物から電力を生成します。 この生物学的発電は、足跡のエネルギーを削減しながら、資産(電力)に責任を回すことができます。 湿原石のエネルギーは、MFCのエネルギーを成熟するエネルギーシステムになります。

微生物燃料電池の仕組み

微生物の触媒活性を介した有機基質に貯蔵される化学エネルギーを、微生物の触媒作用によって電気エネルギーに変換するバイオリクトロ化学装置です。基本的な設計は陽極コンパートメントと陰極コンパートメントで構成され、陽子交換膜(または時々塩橋)で分離されています。陽極室では、電気素子(Shewanella oneidensis[FLT]または、電磁石膏を直接分離する(または、または、または、または、電磁石を分離する)、または、または、または、または、電磁石を直接分離する。

主要コンポーネントと役割

  • 陽極電極:]] 多くの場合、細菌の付着および電子伝達のための大きい表面区域を提供するカーボン ベースの材料(グラファイトのフェルト、カーボン布、またはカーボン ブラシ)から作られます。
  • カト電極:]は、通常、プラチナ、カーボンベースの触媒、またはバイオ触媒を使用して、酸素還元反応を促進します。
  • プロトン交換膜:[ 酸素拡散防止とナノリン酸とカソーリン酸の混合をしながら、選択式プロトン輸送を可能にします。
  • 飼料:] 有機燃料源 - 抽出部位から排水、農業残渣、またはさらには結核バイオマスである。

電子転写機構

電質細菌は3つの主要なルートによって陽極に電子を移すことができます:

  1. 直通接点:]]外側膜のシトクロムは、電極表面に物理的に触れます。
  2. []ナノワイヤ:]]導電性ピリ(例えば、]]])は、生物学的ナノワイヤーとして作用し、ミクロンの間隔で電子をシャットリングします。
  3. 仲介者:]] 因性または自己誘発性赤色黒色黒色黒色素子(例えば、フェナジン、キノン)は、細胞から電極に電子を運ぶ。

これらのメカニズムを理解することは、遠隔操作のための実用的な電力密度を提供することができる高性能MFCを工学するために不可欠です。 []]]合成生物学の研究も、強化された電子トランスファー機能を備えた遺伝子改変細菌を探索しています。

リモート抽出操作の利点

MFCは、分離された抽出現場で従来の電源よりもいくつかのユニークな利点を提供します。

持続可能な燃料源

遠隔抽出の現場は、泥を掘削し、炭化水素、キャンプからの食品廃棄物、またはバイオマスを土地の清算から生成します。 MFCは、これらの廃棄物を直接電力に変換し、廃棄物を処理し、電力を生産することができます。 これは、廃棄物の運搬や処分の必要性を減らし、全体的な運用コストを削減します。

低い維持および長寿

ディーゼル発電機とは異なり、MFCは可動部品(再循環のためのポンプを除く)を持っていません。それらは、最小限の介入で数か月間連続して動作することができます。微生物のコミュニティは自己再生することができ、そして電極は、通常急速に劣化しません。よく設計されたMFCスタックは、定期的な基質補充と膜洗浄だけを必要とするかもしれません。

分散型、モジュラーパワー

MFCユニットは、センサーネットワークから機器用のキロワットまで、いくつかのワットからスケーリング、配列で展開できます。 それらは、トランスミッション損失やグリッドの依存関係を排除し、源泉、パイプライン、または鉱山シャフトに直接配置することができます。 オフショアプラットフォームまたはアークティックドリルサイトの場合、MFCは、可燃性燃料なしで、コンパクトで安全なエネルギーソリューションを提供します。

環境の遵守

規制当局は、排出量や廃棄物処理を増加させています。MFCは、ほとんど気体排出量(CO2放出はバイジェニック)を生成せず、生成された水や尾に有機汚染物質を劣化させることができます。MFCを使用して企業は、ESG(環境、社会、ガバナンス)の指標を改善し、潜在的にカーボンクレジットを稼ぐことができます。 ]エネルギーの米国部門]は、廃棄物システムのための崩壊技術としてMFCを強調しました。

課題と現在の制限

約束にもかかわらず、MFCは抽出操作の広範な採用の前に克服しなければならない重要なハードルに直面しています。

低い電力密度

ほとんどのMFCは、電極面積の0.1〜1 W / m2の範囲で電力密度を生成し、燃焼エンジン(多くの場合、> 1 kW / m2)をはるかに下回る。これは、大きな電極の足跡が有意義な電力に必要であることを意味します。例えば、5 kWポンプを動力とする場合には、電極面の数百平方メートルが必要である可能性があります。ナノ材料コーティングおよび3D電極アーキテクチャの進歩は、より高い密度を押していますが、実用的なしきい値は、elusiveままです。

拡張性とコスト

数千の個体細胞を持つMFCスタックを構築することで、製造の複雑性、流体分布の課題、コストが導入されます。プロトン=交換膜(例えば、ナフイオン)は高価であり、貴金属触媒はコストを追加します。安価な膜(セラミック分離器、カチオン膜)と非前例の金属触媒(例えば、鉄-窒素-炭素--F)を使用する努力は、以下の[F]を削減します。[F] [F] [F] [F] [F] の効率性膜] [F] [F] [F] の効率性] を低減します。

運営条件

遠隔抽出のサイトは、極端な温度、可変pH、塩分、および圧力を経験することができます。 ほとんどの電気生殖細菌は、温暖な温度(20〜40°C)で繁栄します。 精神病的または熱的緊張は特徴的であるが、過酷な条件下で堅牢で、現実的な操作は未改善のままです。 重金属や溶剤などの汚染物質は、細菌代謝を阻害することができます。

長期安定性

電極のバイオフィルムの増殖は、非選択性細菌が望ましい種を消滅させることで、時間とともに不安定になることができます。膜および電極の溶融は性能を低下させます。連続的な監視および機会のバイオ - 測定は、操作の複雑性を加える必要があるかもしれません。

事例・実証‐オブ・コンセプト・応用事例

いくつかのパイロットプロジェクトは、リモート設定でMFCの実行可能性を実証しました。これにより、技術の潜在的な垣間見える化を実現します。

油田によって生成される水処理

ペルミアン・バインでは、コンソーシアムは、少量のセンサーネットワークを発電する際、十分な電力を生成しながら、生成された水を処理する1 m3 MFCシステムをテストしました。このシステムは、有機汚染物質の80%を除去し、原子炉の容積の15 W/m3を生成しました。ポンプを実行するのに十分ではありませんが、MFCは、エネルギー陽性操作で有酸素処理池を交換できると証明しました。

遠隔気象ステーション

テキサス大学は、北極研究局の近くで湿地に堆積MFCを導入しました。 ユニットは、メンテナンスなしで6ヶ月以上温度と圧力センサーを電力供給するために堆積物で自然に発生しました。 これは、MFCが極端な環境で超低電力デバイスにサービスを提供することができますを示しています。

鉱山の尾の修正

チリのパイロットは、建設された湿地とMFCを組み合わせて、銅鉱山から酸鉱山排水を処理します。 MFCは、湿地面積のm2あたり〜0.5 Wを生成しながら、硫酸と金属を取り除きます。 出力が控えめなが、処理と電気の二重利点は、化学的処理方法と比較して、システム経済的に魅力的になりました。

今後の展望と研究の方向

リモート抽出のための商業MFCへの道は、材料の革新、システム統合、および生物的最適化にあります:

先端電極材料

グラフェンコートフォーム、カーボンナノチューブ、導電性ポリマーは、表面面積と電子転送速度を増加させます。また、導電性および生体適合性を高める電極コーティングとして、金属系組織の枠組み(MOF)も研究者が探しています。

ハイブリッドシステム

MFCを他の再生可能エネルギー技術と組み合わせることは、ソーラー、風、または水素燃料電池で、弾力性のあるマイクログリッドを作成できます。例えば、日光ソーラーパネルではピーク負荷を処理できますが、MFCは廃棄物の流れからベースロード電力を夜間に供給します。このようなハイブリッドはバッテリーの貯蔵要件を削減します。

設計マイクロバイオム

合成生物学は、複雑な有機化合物(炭化水素を含む)をより効率的に劣化させる細菌コンソーシアムの設計を可能にします。 ]]] をエンジニアリング ] シェワネラ] 緊張[[]]] 改良された電子輸送チェーンで、5 倍の高電流密度がワイルドタイプよりも達成されます。

パワーマネジメント エレクトロニクス

MFCは、低電圧(セル当たり0.3〜0.8 V)と変動力を生み出します。カスタムDC〜DCコンバータとエネルギー収穫チップ(例えば、テキサスインスツルメンツBQ25570)は、実用的な負荷の出力を後押しし、安定させることができます。これらの電子機器がより安くなるにつれて、MFCの統合はより簡単です。

コンテンツ

微生物燃料電池は、電力のリモート抽出操作のためのパラダイムシフトを表します。燃料輸送と廃棄物処理のリニアモデルから、廃棄物が電力になる循環システムまで。現在の電力密度とコストは、ニッチ、低電力アプリケーション、材料の急速な進歩、微生物学、およびシステムエンジニアリングへの即時の展開を制限する一方で、廃棄物が電力を閉じます。抽出業界は、特に環境に敏感なまたは物流に制約された地域で、MFC技術を監視し、パイロットとの間で投資するだけでなく、エネルギーを削減することができます。これらは、エネルギーを削減し、エネルギーを削減することができます。