سلول‌های سوختی میکروبی : استفاده از میکروب‌ها برای تولید سوخت

آیا تا به حال نام سلول‌های سوختی میکروبی به گوشتان خورده است؟ به نظر شما می‌توان به کمک میکروب‌ها سوخت تهیه کرد؟
سلول‌های سوختی میکروبی (Microbial Fuel Cells) با نام اختصاری MFC نیز شناخته می‌شوند. MFC در واقع دستگاه‌های بیوشیمیایی جدیدی هستند که در آن‌ها تولید برق با استفاده از میکروارگانیسم‌ها انجام می‌شود. در واقع میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را با فرآیند الکتروژنز میکروبی به الکتریسیته تبدیل می‌کنند.
این تکنیک در جهان به طور گسترده در تولید برق پایدار و تصفیه فاضلاب کاربرد دارد.

اگرچه این تکنیک به عنوان یک منبع انرژی جایگزین بسیار مفید است، اما چالش های زیادی هم دارد. در ادامه قصد داریم اصول کارکرد این دستگاه ها و همچنین محدودیت‌های آن را بررسی کنیم.

اجزای سلول‌های سوختی میکروبی

همانطور که در بخش مقدمه گفته شد، به کمک سلول های سوختی میکروبی می‌توان برق تولید کرد. این دستگاه ها با نام پیل‌های سوختی میکروبی یا MFC نیز شناخته می‌شوند.

پیش از هرچیز بیایید با اجزای این سلول‌های سوخت میکروبی آشنا شویم. ساختار اصلی MFCها دارای چهار جزء اساسی است.

آند (مولد الکترون)، کاتد (پذیرنده الکترون)، غشای تبادل پروتون (PEM) و مدار الکتریکی خارجی. آند و کاتد دو محفظه ضروری MFCها هستند که توسط PEM از هم جدا شده‌اند. مدار الکتریکی خارجی نیز برای انتقال الکترون عمل می‌کند. در ادامه بیشتر به بررسی هریک از این اجزا خواهیم پرداخت.

محفظه آند

محفظه آند زیستگاه میکروارگانیسم‌ها و جایگاه الکترودهای خارجی است. میکروارگانیسم‌ها معمولا اگزوالکتروژن‌ هستند. اگزوالکتروژن‌ها  می‌توانند پس از مصرف مواد آلی الکترون آزاد کنند. الکترون‌ها به الکترود یا آند خارجی منتقل می‌شوند. آند از مواد رسانا مانند گرافیت یا کربن ساخته شده است. این مواد همچنین به اتصال باکتری‌ها برای تشکیل یک بیوفیلم کمک می‌کنند.

محفظه کاتد

عملکرد محفظه کاتد دریافت الکترون‌های آزاد شده از آند است. کاتد حاوی یک مولکول گیرنده الکترون مانند اکسیژن، فریسیانید، جیوه، آهن، مس و کروم است. همچنین یک الکترود کاتدی از مواد متخلخل و کاتالیزوری مانند پلاتین نیز در آن وجود دارد. کاتد به کاهش اکسیژن هوای اطراف کمک می‌کند.

PEM

غشای مبادله پروتون محفظه آند و کاتد را جدا می‌کند. پروتون‌‌های تولید شده در طول متابولیسم باکتری باید از آند به کاتد حرکت کنند. بنابراین این غشاء، این انتقال را تسهیل می‌کند و از تماس مستقیم بین دو الکترود جلوگیری می‌کند.

مدار الکتریکی خارجی

مدار الکتریکی خارجی از سیم‌های مسی یا تیتانیوم تشکیل شده است و آند و الکترود کاتد را به هم متصل می‌کند. این مدار به حرکت الکترون‌های آزاد شده توسط باکتری‌ها در طی فرآیندهای متابولیکی از آند به کاتد کمک می‌کند. این حرکت الکترون‌ها جریان الکتریکی را آزاد می‌کند که برای تامین انرژی دستگاه‌های الکتریکی مفید است.

اصول کار سلول‌های سوختی میکروبی

اصل کار پیل‌های سوختی میکروبی، الکتروژنز میکروبی است. الکتروژنز میکروبی به معنای استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای تولید الکترون است. هنگامی که مواد آلی مانند فاضلاب یا مواد زیست تخریب پذیر وارد محفظه آند می‌شوند، میکروارگانیسم‌ها، آن‌را به عنوان منبع غذایی مصرف می‌کنند.

سپس، الکترون به عنوان محصولات جانبی، در طی فرآیندهای متابولیک آزاد می‌شود. الکترون‌ها به الکترود آند منتقل می‌شوند. سپس از طریق یک مدار الکتریکی خارجی به الکترود کاتد جریان می‌یابند.

اکسیژن، موجود در کاتد ترکیب الکترون‌ها و پروتون‌ها را کاتالیز می‌کند و آب را تشکیل می‌دهد. این واکنش چرخه انتقال الکترون را تکمیل می‌کند و جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.

واکنش شیمیایی زیر فرآیند کلی متابولیسم میکروبی و انتقال الکترون را نشان می‌دهد.

Organic matter + Microbial metabolism → Electricity + Water + CO₂  

واکنش شیمیایی زیر نیز کاهش اکسیژن در محفظه کاتد را نشان می‌دهد.

O₂ + 4H⁺ + 4e^– → 2H₂O [E_o = 1.23 V]

انواع MFC ها

سلول‌های سوختی میکروبی بر اساس اصول عملیاتی و طراحی خاص انواع مختلفی دارند. رایج‌ترین انواع MFC به شرح زیر است:

سلول‌های سوختی میکروبی دو محفظه

 این مدل، ساده‌ترین و رایج‌ترین طراحی  MFCها است. یک محفظه به عنوان آند و دیگری به عنوان کاتد استفاده می‌شود که توسط PEM جدا می‌شوند. آند دارای میکروارگانیسم و کاتد دارای گیرنده الکترون است.

سلول‌های سوختی میکروبی تک محفظه

 در این نوع سلول‌های سوختی میکروبی، هر دو الکترود آند و کاتد در یک محفظه قرار دارند که توسط غشای تبادل یونی از هم جدا می‌شوند. طراحی این MFCها ساده است و مقاومت داخلی را کاهش می‌دهد. با این حال، می‌تواند انتشار اکسیژن را محدود کند که بر عملکرد سلول تأثیر می‌گذارد.

 MFC های مبتنی بر واسطه

 در این نوع MFCها، ردوکس انتقال الکترون بین بیوفیلم میکروبی روی آند و کاتد را تسهیل می‌کند. اکثر سلول های میکروبی از نظر الکتروشیمیایی غیر فعال هستند. انتقال الکترون از سلول‌های میکروبی به الکترود توسط واسطه‌هایی مانند تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، و هیومیک اسید تسهیل می‌شود.

الکترون‌ها با کمک واسطه از باکتری به آند می‌روند. سپس از آند به مدار خارجی و در نهایت به کاتد منتقل می شوند. اگرچه این نوع MFC در انتقال الکترون کارآمد است، اما می تواند هزینه را افزایش دهد و اثرات سمی داشته باشد.

MFC های بدون واسطه

این نوع MFCها به واسطه‌های خارجی متکی نیستند. در عوض، از باکتری‌های فعال الکتروشیمیایی برای انتقال الکترون‌ها به آند استفاده می‌شود. ممکن است هزینه این عمل به دلیل طراحی ساده آن کمتر باشد. با این حال، سرعت انتقال الکترون در مقایسه با سیستم‌های مبتنی بر واسطه کندتر می‌شود. از جمله باکتری های فعال الکتروشیمیایی می‌توان به Shewanella putrefaciens  و Aeromonas hydrophila اشاره کرد

 MFC های انباشته شده

 این نوع سلول‌های سوختی میکروبی شامل اتصال چند واحد MFC به صورت سری یا موازی هستند. این کار برای افزایش توان خروجی کلی است. انباشته شدن می‌تواند در مناطقی که تولید برق بالاتری مورد نیاز است مفید باشد.

MFC های Upflow

در این نوع پیل‌های سوختی میکروبی،  MFCها سیلندر شکل هستند. یعنی محفظه کاتد در بالا و محفظه آند در پایین قرار دارد. لایه‌های پشم شیشه این دو محفظه را از هم جدا می‌کنند.

کاربردهای MFC چیست؟

شاید برایتان سوال باشد که این سلول‌های سوختی میکروبی چه کاربردهایی دارند؟ آیا اصلا قابل استفاده هستند؟ آیا بازده خوبی دارند؟

پیل‌های میکروبی به دلیل توانایی منحصر به فرد آن‌ها در تولید الکتریسیته از مواد آلی و تسهیل تصفیه پایدار فاضلاب، کاربردهای متفاوتی دارند. برخی از مهم‌ترین کاربردهای پیل سوختی میکروبی به شرح زیر است:

تصفیه فاضلاب: یکی از مهم‌ترین کابردهای این فرایند، تصفیه فاضلاب است. MFCها می‌توانند به طور موثر آلاینده‌های آلی را از فاضلاب حذف کنند. در عین حال برق را به عنوان یک محصول جانبی تولید کنند. این یک تصفیه فاضلاب بیوالکتروشیمیایی است که جایگزینی پایدار و مقرون به صرفه برای روش‌های سنتی تصفیه فاضلاب است.

تولید انرژی تجدیدپذیر: MFCها به‌طور قابل توجهی در تولید انرژی تجدیدپذیر نقش دارند. آن‌ها به تولید برق از منابع مختلف زباله آلی مانند پسماندهای کشاورزی، فاضلاب شهری و زباله‌های مواد غذایی کمک می‌کنند. با این وجود، توان خروجی در مقایسه با منابع انرژی، معمولا ناچیز است.

پایش محیطی: MFC ها می توانند نوعی حسگر زیستی باشند که به پایش محیطی کمک کنند. یعنی می‌توان MFC ها را در محیط های طبیعی یا مکان‌های آلوده به کار برد. این کاربرد MCFها امکان نظارت بر تغییرات در فعالیت میکروبی و در نتیجه سلامت اکوسیستم را فراهم می‌کند. در واقع تشخیص تغییرات در نرخ انتقال الکترون یا جوامع میکروبی اطلاعات ارزشمندی در مورد شرایط محیطی ارائه می‌دهد.

زیست پالایی: سلول‌های سوختی میکروبی به حذف آلاینده های آلی از محیط کمک می‌کنند. به همین دلیل در مکان های آلوده به هیدروکربن‌ها یا فلزات سنگین قابل استفاده هستند. این یک روش عالی برای زیست پالایی است.

مزایای سلول‌های سوختی میکروبی

سلول های سوختی میکروبی (MFCs) مزایای بسیاری دارند. به عنوان مثال:

• MFC در تبدیل مواد زائد آلی مانند فاضلاب، بقایای کشاورزی یا ضایعات مواد غذایی به انرژی کمک می‌کند.
• MFC ها را می توان در سیستم های مقیاس کوچک در مکان‌های مختلف، حتی در مناطق روستایی و خارج از شبکه مستقر کرد. این کار به دسترسی آسان به تولید برق محلی کمک می‌‌کند.
• منبع سوخت برای MFC کم هزینه است زیرا مواد ضایعات ارزان قیمت مقدار زیادی برق تولید می‌کنند.
• MFCها از طرق مختلف به حفظ پایداری محیطی کمک می‌کنند. به عنوان مثال انتشار گازهای گلخانه‌ای را کاهش می دهند و به نظارت بر شرایط مختلف محیطی کمک می‌کنند.

استفاده از سلول‌های سوختی میکروبی چه معایبی دارد؟

اگرچه MFC ها یک فناوری کاربردی در جهان محسوب می‌شوند. اما معایبی هم دارند که لازم است برای افزایش مقیاس پذیری آن‌ها برطرف شوند. برخی از چالش‌های اصلی سلول های سوختی میکروبی به شرح زیر است:

• برق یا توان تولید شده در مقایسه با سایر روش‌های تولید انرژی کم‌تر است. بنابراین این فناوری فقط برای برنامه‌های کاربردی در مقیاس کوچک قابل اجرا است.
• ساخت و بهره برداری از MFC به دلیل مواد گران قیمت مورد استفاده در ساخت الکترودها و PEM هزینه بر است.
• برای استفاده از این فناوری لازم است میکروب ها به اوج عملکرد خود برسند. این امر ممکن است کمی زمان بر باشد.
• عملکرد MFCها به pH، دما و میزان مواد آلی بستگی دارد. به همین دلیل حفظ بار میکروبی ثابت، یک چالش برای عملکرد این دستگاه‌ها به شمار می‌رود.
• برخی از ترکیبات موجود در زباله‌ها می‌توانند برای میکروارگانیسم‌ها سمی باشند و از رشد آن‌ها در MFC جلوگیری کنند. این مهار رشد می‌تواند کل فعالیت را متوقف کند.

سخن پایانی

همانطور که در این مطلب گفته شد، سلول‌های سوختی میکروبی در واقع یک فرایند مهم برای تبدیل مواد آلی بازیافتی به انرژی هستند. در این روش با استفاده از میکروارگانیسم‌ها، مواد آلی به الکتریسیته تبدیل می‌شوند. این روش در حال حاضر درحال استفاده است و کاربردها و مزایای زیادی نیز دارد. اما محققین را با چالش هایی نیز مواجه ساخته است. برخی از شرکت ها نیز هنوز آن را جایگزین مناسبی برای سایر منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی نمی‌دانند.

نظر شما در رابطه با این فرایند چیست؟

خوشحال می‌شویم نظرات و تجربیات خود را در این باره با ما و دیگر خوانندگان این مطلب به اشتراک بگذارید.