Innehållsförteckning
- Vad är bioelektricitet?
- Vad är MFC:er?
- Vilken typ av mikroorganismer används i MFC?
- Vilka substrat kan bakterierna använda?
- Är bioelektricitet framtiden?
Bioelektricitet är den elektricitet som produceras av elektrokemiskt aktiva bakterier som ett resultat av deras metaboliska aktiviteter; att utnyttja bioelektricitet är ett rent sätt att få energi.
Klimatkrisen är ett hett ämne, som Greta Thunberg och veckovisa extrema väderhändelser hela tiden påminner oss om. Världens befolkning ökar, och med det också människornas krav. Jordens svåra situation är ett dagligt ämne runt om i världen. Den gemensamma konsensus är att girighet och fossilt bränsle förbrukning är de drivande faktorerna.
Timmens behov är renare, mer hållbara sätt att producera den energi vi behöver. Jag menar, visst, alternativa tillvägagångssätt är på uppgång, såsom sol-, vind-, vattenkraft och geotermisk energi, men dessa har sina begränsningar, eftersom de är platsspecifika. En vattenkraftsdamm behöver vatten som rör sig snabbt, solpaneler behöver starkt solljus och väderkvarnar behöver platt, öppet land.
Vad om det fanns ett platsoberoende sätt att generera el? I likhet med hur kol eldas för att producera el, skulle vi kunna använda vårt avfall för att skapa elektricitet? Om så är fallet, hur? Sätt bara elproducerande bakterier på jobbet!
Vad är bioelektricitet?
Bioelektricitet är den elektricitet som produceras av levande organismer som bakterier, alger eller svampar. När de ges en välsmakande matkälla – allt från bortkastad mat till ved – att livnära sig på, och de kommer att producera små mängder elektricitet som ett resultat av deras metaboliska aktiviteter.
Begreppet bioelektricitet är inte nytt. Den användes första gången på 1780-talet av Luigi Galvani, när han elektricerade en stackars groda med blixten för att se om dess muskler skulle rycka, vilket de gjorde. Sedan dess har biologer fascinerats av hur livet skapar och använder elektricitet. Du kan läsa hela den fascinerande historien bakom det här.
Men på senare tid har bioelektricitet använts oftare för att beskriva elektricitet som mindre livsformer som bakterier producerar och som vi kan använda på ett produktivt sätt.
Vi kan generera denna energi för oss själva genom att stoppa bakterierna i batterier. De biokemiska reaktionerna som genererar bioelektricitet inträffar i en viss uppställning i batteriet som innehåller två elektroder, organiskt material (substratet) och mikroorganismerna. Denna inställning kallas en Microbial Fuel Cell (MFC).
Vad är MFC:er?
En MFC är en sorts bränslecell, liknande den som används för att driva Arnold Schwarzenegger i Terminator 3.
En MFC fungerar på samma sätt som ett vanligt batteri. De har båda en positiv sektion med en positiv elektrod (anod) och en negativ sektion med en negativ elektrod (katod). Elektroner som genereras i den positiva sektionen plockas upp vid anoden, och deras resa över till katoden genererar den elektriska strömmen.
Skillnaden mellan en MFC och en bränslecell är att bränsleceller producerar el via en kemisk reaktion, medan en MFC producerar el via en biologisk process.
Ett schema över en MFC. (Fotokredit: Bretschger O/Wikimedia Commons)
Bakterierna finns i anoden (positiva). När de tillförs hälsosamt mat kommer de att frigöra elektroner som plockas upp av anoden. Nu finns det fler elektroner vid anoden än vid katoden, så elektronerna kommer att glida mot katoden. Syret, protonerna och elektronerna reagerar vid katoden (negativa). Detta flöde av protoner och elektroner skapar en potentialskillnad mellan de två elektroderna, vilket leder till generering av bioelektricitet.
Ekvationen som visar hur sackaros bryts ner för att frigöra protoner och elektroner.
Vilken typ av mikroorganismer används i MFCs?Avfallshantering Avfall till rikedom Alexandria Engineering Journal Bioenergi för hållbarhet och säkerhet Trådlösa sensornätverk och ekologisk övervakning Mikrobiell Fuel Cell Technology for Bioelectricity (lärobok)
Det vetenskapliga namnet för bakterierna är elektrokemiskt aktiva mikroorganismer (EAM). Vad detta betyder är att de kan omvandla kemisk energi, energin i maten, till elektrisk energi, energin från elektroner i ett batteri. För att få dem att arbeta med sin kemisk-till-elektriska magi behöver de en syrefri miljö (anaerob), eftersom syre kommer att fortsätta att rycka iväg elektronerna.
Alla EAM är inte bra bakterieanställda. Vissa arter är mer lämpliga, eftersom de producerar proteiner som möjliggör enklare elektronöverföring.
Geobacter
och Shewanella
bakterier används ofta i MFC.
En stam av
Shewanella –
S. oneidensis MR-1 —är en av de mest studerade och brett analyserade EAMs. De kan leva i närvaro eller frånvaro av syre, de är lätta att odla och de har en väldokumenterad genomsekvens. Men i första hand är deras förmåga att enkelt överföra elektroner varför de är så önskvärda i MFC.
Naturliga mikrobiella samhällen i avfallsmaterial som avloppsvatten eller de som finns på botten av sumpigt vatten är också bra på att generera bioelektricitet. Vi kan helt enkelt utnyttja den naturliga funktionen för våra bioelektriska behov.
Mikroalger är andra effektiva mikroorganismer som används för att generera bioelektricitet från avloppsvatten.
Vilka substrat kan bakterierna använda?
MFC:er slår två flugor i en smäll – de genererar elektricitet medan
de bryter ner vårt avfall. Vi producerar en enorm mängd av alla typer av avfall, som tyvärr slutar med att dumpas på soptippar eller i havet, eller så bränns det och släpper ut enorma plymer av skadliga gaser i luften. Cirka 7-15 % av världens energibehov kan tillgodoses med biomassa, och nu kan vi använda allt det potentiella avfallet på bästa sätt.
Avloppsvatten, matavfall, lera, animaliskt avfall eller någon form av organiskt avfall är alla utmärkta källor till näringsämnen och energi som mikroorganismer använder för att generera bioelektricitet. Detta lämnar oss fortfarande kvar med plastavfall, men det kan till och med finnas bakterier som kan lösa det problemet.
A ett litet land som Japan genererar 20 miljoner ton mat- och köksavfall per år. (Fotokredit: Antonello Marangi/Shutterstock)
Är bioelektricitet framtiden?
Produktion av bioelektricitet av MFC:er är en föroreningsfri process. Organiskt material bryts ner anaerobt av bakterier för att generera bioelektricitet. Det finns ingen förbränning, ingen produktion av giftig gas eller generering av farligt avfall. Det är en grön och hållbar metod för energiproduktion.
Den största begränsningen är dock den låga mängden el som genereras . För närvarande levererar en genomsnittlig MFC en spänning på bara 0,5 V. För att sätta det i perspektiv, levererar ett Duracell AA-batteri en spänning på 1,5 V.
Trots de små mängderna energi som produceras har MFC fortfarande sina användningsområden. En studie använde MFC för att driva små trådlösa sensorer som övervakar ekologiska platser. Eftersom MFC:er inte behöver laddas om, fanns det ingen rädsla för att sensorerna skulle gå sönder på grund av urladdade batterier.
En annan nackdel är att vi inte kan använda dem vid låga temperaturer. I kalla klimat faller bakteriernas aktivitet och deras ämnesomsättning minskar. Tills vi kommer på hur vi kan hålla bakterierna rostiga, så att de kan behålla sin energieffektivitet, förlåt Kanada, du är inte med på den här åtgärden.
Ett enormt engagemang från forskare ägnar sig åt att förbättra effektiviteten hos MFC:er och implementera dem i stor skala. En inspirerad forskare i den indiska delstaten Gujarat, Dr. Nasreen Munshi, satte upp sin egen minibioelektricitetsanläggning, som enbart består av MFC:er. Hon och hennes forskarkollegor kunde kontinuerligt utnyttja små mängder el under några veckor.
Huvudfokus för forskare idag ska sätta upp bioelektricitetsanläggningar vid reningsanläggningar för avloppsvatten. Även om användbara mängder energi inte kan genereras kontinuerligt, kan den bioelektricitet som skapas lagras i kondensatorer. När väl mängden bioelektricitet når en tillräcklig nivå kan den laddas ur från kondensatorn.
MFC:s användning av bioelektricitet är innovation när den är som bäst. Så länge som organiskt material finns och bakterier lever på jorden, kan MFC vara en hållbar långsiktig energikälla. På pappret är sådana MFC:er en genialisk lösning som tar itu med både vårt energi- och avfallsproblem. Bakterier kommer att hoppa av glädje (om de kunde känna glädje eller hoppa) när de matar av våra enorma mängder organiskt avfall, och vi kommer att vara otroligt glada att ta deras resulterande energi i gengäld.
Tänk dig att om ett par decennier kommer människors hus eller byggnader att ha MFC:er fästa vid dem. Istället för att dumpa vårt avfall i en soptunna, kanske vi dumpar det i dessa små celler som kommer att omvandla det till den elektricitet som driver våra lampor. Med andra ord, inget mer att ta ut sopor!
- Gränsgränser inom livsvetenskap
- Referenser
,,,
,,, ,,,
,,,,,,,,,,, , ,,
