Mikrobiyal Yakıt Elektrik Üretiminde Kullanılabilir?

Geleceğin Yakıt Türleri

Dünya nüfusunun 2050 yılına kadar 9,5 milyara ulaşacağı tahmin edilmektedir. Mevcut enerjimizin çoğunun fosil yakıtlardan üretildiği göz önüne alındığında, bu, iklim değişikliğini azaltırken yeterli sürdürülebilir elektrik sağlamak söz konusu olduğunda önemli zorluklar yaratmaktadır.

Son yıllarda ilgi gören bir fikir, mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC’ler) adı verilen cihazlarda bakteri kullanarak elektrik üretmektir. Bu yakıt hücreleri, elektrik oluşturmak için elektron alışverişi yaparak, metalleri “soluyabilme” yeteneğine sahip, doğal olarak oluşan bazı mikroorganizmaların yeteneğine dayanır. Bu süreç, atık suda bulunan organik materyalleri içeren substrat adı verilen maddeler kullanılarak çalıştırılabilir.

Şu anda mikrobiyal yakıt hücreleri, hesap makineleri, küçük fanlar ve LED’ler gibi küçük cihazlara güç sağlamak için elektrik üretebiliyor.

Laboratuvarlarda “simüle edilmiş atık su” kullanarak mini bir yılbaşı ağacındaki ışıklara güç verilebilir. Ancak teknoloji büyütülürse, büyük umut vaat ediyor.

Nasıl Çalışırlar : MFC’ler bir anot ve katot sistemi kullanır bir akımı içeri veya dışarı geçiren elektrotlar. Yaygın MFC sistemleri, bir anot odası ve bir membran ile ayrılmış bir katot odasından oluşur. Bakteriler anot üzerinde büyür ve substratları karbondioksite, protonlara ve elektronlara dönüştürür.

Üretilen elektronlar daha sonra bir dış devre yoluyla katot odasına aktarılırken, protonlar membrandan geçerler. Katot odasında, protonlar ve elektronlar arasındaki reaksiyon oksijeni kullanır ve su oluşturur. Ve substratlar sürekli olarak dönüştürüldüğü sürece, elektronlar akacaktır işte elektrik budur.

MFC’ler aracılığıyla elektrik üretmenin bir dizi avantajı vardır: sistemler her yerde kurulabilir; aktif çamur sistemleri gibi geleneksel atık su arıtma yöntemlerinden daha az “çamur” oluştururlar ; küçük ölçekli olabilirler ancak daha büyük sistemler oluşturmak için modüler bir tasarım kullanılabilir; tuzluluğa karşı yüksek toleransları vardır; ve oda sıcaklığında çalışabilirler.

MFC’lerde elektrik üretmek için kullanılabilecek çok çeşitli yenilenebilir alt tabakaların mevcudiyeti, gelecekte elektrik üretiminde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bu tür substratlar arasında idrar, atık sudaki organik madde, canlı bitkiler tarafından toprağa salgılanan maddeler (kök sızıntıları), sülfitler gibi inorganik atıklar ve hatta gazlı kirleticiler bulunur.

1. İdrardaki güç : Dışkı ve idrar gibi atık maddelerdeki biyolojik olarak parçalanabilen maddeler elektriğe dönüştürülebilir. Bu, Gana’daki bir mikrobiyal yakıt hücresi tuvaletinde gösterildi ve tuvaletlerin gelecekte potansiyel elektrik santralleri olabileceğini öne sürüldü. İki yıl boyunca işletilen tuvalet, idrardaki nitrojeni giderirken ve dışkıyı kompost ederken, tuvaletin içindeki bir LED ışığına güç verecek kadar 268 nW / m² elektrik üretebildi.

Şebeke elektriği olmayan yerler veya mülteci kampları için, tuvaletlerdeki atıkların elektrik üretmek için kullanılması gerçekten devrim niteliğinde olabilir.

Bitki MFC’leri : MFC’lerin elektrik üretmek için kullanabileceği bir başka yenilenebilir ve sürdürülebilir substrat, bitki MFC’leri adı verilen bitki kök sızıntılarıdır. Bitkiler büyüdüklerinde, bazıları kök sistemine sızan glikoz gibi karbonhidratlar üretirler. Köklerin yakınındaki mikroorganizmalar karbonhidratları protonlara, elektronlara ve karbondioksite dönüştürür.

Bir MFC fabrikasında, protonlar bir membrandan aktarılır ve elektron transfer devresini tamamlamak için oksijen ile yeniden birleştirilir.

Devreye bir yük bağlayarak, üretilen elektrik kontrol edilebilir. Tesis MFC’leri, şebekeye erişimi olmayan izole topluluklarda elektrik üretiminde devrim yaratabilir. Kasabalarda sokaklar ağaç kullanılarak aydınlatılabilir.

2. Mikrobiyal tuzdan arındırma hücreleri : Mikrobiyal yakıt hücrelerinin bir başka varyasyonu, mikrobiyal tuzdan arındırma hücreleridir. Bu cihazlar, örneğin atık sudan elektrik üretmek için bakteri kullanır ve aynı zamanda suyu tuzdan arındırır. Tuzdan arındırılacak su, negatif (anyon) ve pozitif (katyon) yüklü iyonlardan oluşan membranlar kullanılarak MFC’lerin anot ve katot odaları arasına sıkıştırılmış bir bölmeye konur.

Anot odasındaki bakteriler atık suyu tükettiğinde protonlar açığa çıkar. Bu protonlar anyon zarından geçemezler, bu nedenle negatif iyonlar tuzlu sudan anot odasına geçer. Katotta protonlar tüketilir, bu nedenle pozitif yüklü iyonlar, tuzlu sudan katot odasına geçerek orta odadaki suyun tuzunu giderir. Anot ve katot odalarında salınan iyonlar, elektrik üretiminin verimliliğini artırmaya yardımcı olur.

Geleneksel su tuzdan arındırma şu anda çok enerji yoğundur ve bu nedenle maliyetlidir. Elektrik üretirken (tüketmeden) büyük ölçekte tuzdan arındırma sağlayan bir süreç devrim niteliğinde olacaktır.

3. Doğalgaz veriminin artırılması : Mikroorganizmaların oksijene ihtiyaç duymadan biyolojik olarak parçalanabilen veya atık maddeleri parçalamak için kullanıldığı anaerobik çürütme, doğal gazın ana bileşeni olan çoğunlukla metan olan biyogaz üreterek atık sudan enerji geri kazanmak için kullanılır. Ancak bu süreç genellikle verimsizdir.

Araştırmalar, bu sindiricilerde kullanılan mikrobiyal grupların, türler arası elektron transferi olarak adlandırılan elektronları paylaştığını, metabolizmalarını etkilemek için pozitif enerji kullanabilecekleri olasılığını ortaya çıkardığını gösteriyor.

Elektrometanojenez adı verilen bir işlem olan anaerobik çürütücülere küçük bir voltaj sağlayarak, metan verimi (ve dolayısıyla birleşik ısı ve enerji santrallerinden geri kazanılabilen elektrik) önemli ölçüde iyileştirilebilir.

Mikrobiyal yakıt hücreleri, küçük cihazlara güç sağlamak için elektrik üretebiliyor olsa da, araştırmacılar, üretebilecekleri güç miktarını artırmak ve hücre dışı elektron transferinin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için reaktörleri büyütmenin yollarını araştırıyorlar. Gelecekte, mikrobiyal yakıt hücreleri, uzun vadeli insan uzay görevleri sırasında rejeneratif yaşam destek sistemlerinde elektrik üretmek için bile kullanılabilir. Henüz çok erken ama teknoloji çok şey vaat ediyor.