Вікіпедія

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.

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 ред.

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 ред.

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 ред.

 
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 ред.

Джерела ред.

  • 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 ред.

Книги ред.

Журнали ред.

Статті ред.

Примітки ред.

  1. ↑ а б Sonawane, Jayesh M.; Vijay, Ankisha; Deng, Tianyang; Ghosh, Prakash C.; Greener, Jesse (25 липня 2023). Phototrophic microbial fuel cells: a greener approach to sustainable power generation and wastewater treatment. Sustainable Energy & Fuels (англ.). Т. 7, № 15. с. 3482—3504. doi:10.1039/D3SE00237C. ISSN 2398-4902. Процитовано 6 вересня 2023.
  2. ↑ Roy, Hridoy; Rahman, Tanzim Ur; Tasnim, Nishat; Arju, Jannatul; Rafid, Md Mustafa; Islam, Md Reazul; Pervez, Md Nahid; Cai, Yingjie; Naddeo, Vincenzo (2023-05). Microbial Fuel Cell Construction Features and Application for Sustainable Wastewater Treatment. Membranes (англ.). Т. 13, № 5. с. 490. doi:10.3390/membranes13050490. ISSN 2077-0375. PMC 10223362. PMID 37233551. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  3. ↑ Jaleh, Babak; Nasri, Atefeh; Eslamipanah, Mahtab; Nasrollahzadeh, Mahmoud; Advani, Jacky H.; Fornasiero, Paolo; Gawande, Manoj B. (2 травня 2023). Application of biowaste and nature-inspired (nano)materials in fuel cells. Journal of Materials Chemistry A (англ.). Т. 11, № 17. с. 9333—9382. doi:10.1039/D2TA09732J. ISSN 2050-7496. Процитовано 6 вересня 2023.
  4. ↑ Kurniawan, Tonni Agustiono; Othman, Mohd Hafiz Dzarfan; Liang, Xue; Ayub, Muhammad; Goh, Hui Hwang; Kusworo, Tutuk Djoko; Mohyuddin, Ayesha; Chew, Kit Wayne (2022-01). Microbial Fuel Cells (MFC): A Potential Game-Changer in Renewable Energy Development. Sustainability (англ.). Т. 14, № 24. с. 16847. doi:10.3390/su142416847. ISSN 2071-1050. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  5. ↑ Koffi, N’Dah Joel; Okabe, Satoshi (4 листопада 2020). High voltage generation from wastewater by microbial fuel cells equipped with a newly designed low voltage booster multiplier (LVBM). Scientific Reports (англ.). Т. 10, № 1. с. 18985. doi:10.1038/s41598-020-75916-7. ISSN 2045-2322. Процитовано 6 вересня 2023.
  6. ↑ Li, Feng; An, Xingjuan; Wu, Deguang; Xu, Jing; Chen, Yuanyuan; Li, Wenchao; Cao, Yingxiu; Guo, Xuewu; Lin, Xue (2019). Engineering Microbial Consortia for High-Performance Cellulosic Hydrolyzates-Fed Microbial Fuel Cells. Frontiers in Microbiology. Т. 10. doi:10.3389/fmicb.2019.00409. ISSN 1664-302X. PMC 6432859. PMID 30936852. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  7. ↑ Zhang, Tian; Ghosh, Dipankar; Tremblay, Pier‐Luc (19 вересня 2019). Krishnaraj, R. Navanietha; Sani, Rajesh K. (ред.). Synthetic Biology Strategies to Improve Electron Transfer Rate at the Microbe–Anode Interface in Microbial Fuel Cells. Bioelectrochemical Interface Engineering (англ.) (вид. 1). Wiley. с. 187—208. doi:10.1002/9781119611103.ch11. ISBN 978-1-119-53854-7.
  8. ↑ Rabiço, Franciene; Pedrino, Matheus; Narcizo, Julia Pereira; de Andrade, Adalgisa Rodrigues; Reginatto, Valeria; Guazzaroni, María-Eugenia (2023-08). Synthetic Biology Toolkit for a New Species of Pseudomonas Promissory for Electricity Generation in Microbial Fuel Cells. Microorganisms (англ.). Т. 11, № 8. с. 2044. doi:10.3390/microorganisms11082044. ISSN 2076-2607. PMC 10458277. PMID 37630604. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  9. ↑ Izadi, Paniz; Fontmorin, Jean-Marie; Fernández, Luis F. L.; Cheng, Shaoan; Head, Ian; Yu, Eileen H. (2019). High Performing Gas Diffusion Biocathode for Microbial Fuel Cells Using Acidophilic Iron Oxidizing Bacteria. Frontiers in Energy Research. Т. 7. doi:10.3389/fenrg.2019.00093. ISSN 2296-598X. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  10. ↑ а б Banerjee, Aritro; Calay, Rajnish Kaur; Mustafa, Mohamad (2022-01). Review on Material and Design of Anode for Microbial Fuel Cell. Energies (англ.). Т. 15, № 6. с. 2283. doi:10.3390/en15062283. ISSN 1996-1073. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  11. ↑ Liang, Huanhuan; Han, Jiali; Yang, Xingai; Qiao, Zhixing; Yin, Tao (2022-01). Performance improvement of microbial fuel cells through assembling anodes modified with nanoscale materials. Nanomaterials and Nanotechnology (англ.). Т. 12. с. 184798042211329. doi:10.1177/18479804221132965. ISSN 1847-9804. Процитовано 6 вересня 2023.
  12. ↑ Zhuang, Xinglei; Tang, Shien; Dong, Weiliang; Xin, Fengxue; Jia, Honghua; Wu, Xiayuan (21 лютого 2023). Improved performance of Cr(VI)-reducing microbial fuel cells by nano-FeS hybridized biocathodes. RSC Advances (англ.). Т. 13, № 10. с. 6768—6778. doi:10.1039/D3RA00683B. ISSN 2046-2069. PMC 9969982. PMID 36860531. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  13. ↑ Umar, Aisha; Smółka, Łukasz; Gancarz, Marek (2023-04). The Role of Fungal Fuel Cells in Energy Production and the Removal of Pollutants from Wastewater. Catalysts (англ.). Т. 13, № 4. с. 687. doi:10.3390/catal13040687. ISSN 2073-4344. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  14. ↑ Zhang, Shifan; Schuster, Jürgen; Frühauf-Wyllie, Hanna; Arat, Serkan; Yadav, Sandeep; Schneider, Jörg J.; Stöckl, Markus; Ukrainczyk, Neven; Koenders, Eddie (2 листопада 2021). Conductive Geopolymers as Low-Cost Electrode Materials for Microbial Fuel Cells. ACS Omega (англ.). Т. 6, № 43. с. 28859—28870. doi:10.1021/acsomega.1c03805. ISSN 2470-1343. PMC 8567353. PMID 34746578. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  15. ↑ Zhu, Qian; Hu, Jingping; Liu, Bingchuan; Hu, Shaogang; Liang, Sha; Xiao, Keke; Yang, Jiakuan; Hou, Huijie (2022-04). Recent Advances on the Development of Functional Materials in Microbial Fuel Cells: From Fundamentals to Challenges and Outlooks. ENERGY & ENVIRONMENTAL MATERIALS (англ.). Т. 5, № 2. с. 401—426. doi:10.1002/eem2.12173. ISSN 2575-0356. Процитовано 6 вересня 2023.
  16. ↑ Borja-Maldonado, Fátima; López Zavala, Miguel Ángel (2022-07). Contribution of configurations, electrode and membrane materials, electron transfer mechanisms, and cost of components on the current and future development of microbial fuel cells. Heliyon. Т. 8, № 7. с. e09849. doi:10.1016/j.heliyon.2022.e09849. ISSN 2405-8440. PMC 9287189. PMID 35855980. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання)
  17. ↑ Han, Shuo; Thapa, Krishna; Liu, Wenyan; Westenberg, David; Wang, Risheng (12 грудня 2022). Enhancement of Electricity Production of Microbial Fuel Cells by Using DNA Nanostructures as Electron Mediator Carriers. ACS Sustainable Chemistry & Engineering (англ.). Т. 10, № 49. с. 16189—16196. doi:10.1021/acssuschemeng.2c04399. ISSN 2168-0485. Процитовано 6 вересня 2023.
  18. ↑ Deb, Dipankar; Patel, Ravi; Balas, Valentina E. (2020-05). A Review of Control-Oriented Bioelectrochemical Mathematical Models of Microbial Fuel Cells. Processes (англ.). Т. 8, № 5. с. 583. doi:10.3390/pr8050583. ISSN 2227-9717. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  19. ↑ Fan, Yingzheng; Qian, Fengyu; Huang, Yuankai; Sifat, Iram; Zhang, Chengwu; Depasquale, Alex; Wang, Lei; Li, Baikun (15 листопада 2021). Miniature microbial fuel cells integrated with triggered power management systems to power wastewater sensors in an uninterrupted mode. Applied Energy. Т. 302. с. 117556. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117556. ISSN 0306-2619. Процитовано 6 вересня 2023.
  20. ↑ Chen, Haishan; Meng, Xiaoping; Liu, Dianlei; Wang, Wei; Xing, Xiaodong; Zhang, Zhiyong; Dong, Chen (2022-01). Closed-Loop Microbial Fuel Cell Control System Designed for Online Monitoring of TOC Dynamic Characteristics in Public Swimming Pool. International Journal of Environmental Research and Public Health (англ.). Т. 19, № 20. с. 13024. doi:10.3390/ijerph192013024. ISSN 1660-4601. PMC 9603446. PMID 36293614. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  21. ↑ Ibrahim, Rabialtu Sulihah Binti; Zainon Noor, Zainura; Baharuddin, Nurul Huda; Ahmad Mutamim, Noor Sabrina; Yuniarto, Adhi (2020-10). Microbial Fuel Cell Membrane Bioreactor in Wastewater Treatment, Electricity Generation and Fouling Mitigation. Chemical Engineering & Technology (англ.). Т. 43, № 10. с. 1908—1921. doi:10.1002/ceat.202000067. ISSN 0930-7516. Процитовано 6 вересня 2023.
  22. ↑ Wu, Xiaoshuai; Qiao, Yan; Guo, Chunxian; Shi, Zhuanzhuan; Li, Chang Ming (1 червня 2020). Nitrogen doping to atomically match reaction sites in microbial fuel cells. Communications Chemistry (англ.). Т. 3, № 1. с. 1—9. doi:10.1038/s42004-020-0316-z. ISSN 2399-3669. Процитовано 6 вересня 2023.
  23. ↑ Kausar, Ayesha; Ahmad, Ishaq; Zhao, Tingkai; Maaza, Malik; Bocchetta, Patrizia (2023-04). Green Nanocomposite Electrodes/Electrolytes for Microbial Fuel Cells—Cutting-Edge Technology. Journal of Composites Science (англ.). Т. 7, № 4. с. 166. doi:10.3390/jcs7040166. ISSN 2504-477X. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  24. ↑ Xie, Rong; Wang, Shuang; Wang, Kai; Wang, Meng; Chen, Biqiang; Wang, Zheng; Tan, Tianwei (17 серпня 2022). Improved energy efficiency in microbial fuel cells by bioethanol and electricity co-generation. Biotechnology for Biofuels and Bioproducts (англ.). Т. 15, № 1. doi:10.1186/s13068-022-02180-4. ISSN 2731-3654. PMC 9382818. PMID 35978352. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки з PMC з іншим форматом (посилання) Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
  25. ↑ Ahmed, Shams Forruque; Mofijur, M.; Islam, Nafisa; Parisa, Tahlil Ahmed; Rafa, Nazifa; Bokhari, Awais; Klemeš, Jiří Jaromír; Indra Mahlia, Teuku Meurah (1 вересня 2022). Insights into the development of microbial fuel cells for generating biohydrogen, bioelectricity, and treating wastewater. Energy. Т. 254. с. 124163. doi:10.1016/j.energy.2022.124163. ISSN 0360-5442. Процитовано 6 вересня 2023.
  26. ↑ Jensen, Line Schultz; Kaul, Christian; Juncker, Nilas Brinck; Thomsen, Mette Hedegaard; Chaturvedi, Tanmay (2022-01). Biohydrogen Production in Microbial Electrolysis Cells Utilizing Organic Residue Feedstock: A Review. Energies (англ.). Т. 15, № 22. с. 8396. doi:10.3390/en15228396. ISSN 1996-1073. Процитовано 6 вересня 2023.{{cite news}}: Обслуговування CS1: Сторінки із непозначеним DOI з безкоштовним доступом (посилання)
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Мікробні_паливні_елементи&oldid=40993307