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, органічних відходів чи біомаси, що робить їх об'єктом інтересу для відновлюваних джерел енергії, 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.

Принцип роботи

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

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.

Перспективні технології

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.
2. Біоаноди та біокатоди другого покоління: Розробка біоанодів і біокатодів, які забезпечують вищу швидкість окислення та відновлення органічних сполук, підвищуючи виділення електроенергії.
3. Використання екзоферментів: Впровадження зовнішніх ферментів, які допомагають у збільшенні робочого діапазону МПЕ та підвищенні ефективності.
4. Матеріали для іонно-провідних мембран: Розробка нових іонно-провідних матеріалів, які підвищують швидкість передачі іонів у МПЕ і знижують внутрішні опори.
5. Системи для керування та моніторингу: Розробка інтегрованих систем керування та моніторингу для оптимізації роботи МПЕ та забезпечення стабільності роботи.
6. Біореактори для культури мікроорганізмів: Вдосконалення біореакторів для ефективного вирощування бактерій та археїв, які використовуються в МПЕ.
7. Біодизайн електродів: Розробка нових матеріалів та дизайну електродів для підвищення каталітичної активності та стабільності МПЕ.
8. Інтеграція з іншими відновлюваними джерелами енергії: Розробка систем, що дозволяють інтегрувати МПЕ з іншими джерелами відновлюваної енергії, такими як виробництво біоетанолу та біоводню.

Див. також

• Електрохімічний елемент
• Електрохімічне оброблення
• Електрохімічний метод очищення стічних вод
• Електрогідрогенез
• Мікробний електросинтез
• Біологічний окислювач
• Біопаливо
• Біотехнологія
• Біоінженерія
• Інженерія біологічних систем
• Біомолекулярна електроніка
• Біосенсор
• Нанобіотехнології

Джерела

• 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

Книги

• Ibrahim, Mohamad Nasir Mohamad; Yaqoob, Asim Ali; Ahmad, Akil (1 грудня 2022). Microbial Fuel Cells: Emerging trends in electrochemical applications (англ.). IOP Publishing. ISBN 978-0-7503-4791-4.
• Krishnaraj, R. Navanietha; Sani, Rajesh K., ред. (19 вересня 2019). Bioelectrochemical Interface Engineering (англ.) (вид. 1). Wiley. ISBN 978-1-119-53854-7. doi:10.1002/9781119611103.
• Kim, Jung Rae, ред. (17 вересня 2019). Microbial Fuel Cells 2018. MDPI - Multidisciplinary Digital Publishing Institute. doi:10.3390/books978-3-03921-534-8.
• Das, Debabrata, ред. (2018). Microbial Fuel Cell (англ.). Cham: Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-66792-8.

Журнали

• Journal of Power Sources
• Microbial Cell Factories
• Biotechnology for Biofuels and Bioproducts
• Electrochemical Energy Reviews

Статті

• Sonawane, Jayesh M.; Vijay, Ankisha; Deng, Tianyang; Ghosh, Prakash C.; Greener, Jesse (2023). Phototrophic microbial fuel cells: a greener approach to sustainable power generation and wastewater treatment. Sustainable Energy & Fuels (англ.) 7 (15). doi:10.1039/D3SE00237C.
• Roy, Hridoy; Rahman, Tanzim Ur; Tasnim, Nishat; Arju, Jannatul; Rafid, Md Mustafa; Islam, Md Reazul; Pervez, Md Nahid; Cai, Yingjie та ін. (2023-05). Microbial Fuel Cell Construction Features and Application for Sustainable Wastewater Treatment. Membranes (англ.) 13 (5). doi:10.3390/membranes13050490.
• Wang, Jianfei; Ren, Kexin; Zhu, Yan; Huang, Jiaqi; Liu, Shijie (2022-12). A Review of Recent Advances in Microbial Fuel Cells: Preparation, Operation, and Application. BioTech (англ.) 11 (4). doi:10.3390/biotech11040044.
• Kurniawan, Tonni Agustiono; Othman, Mohd Hafiz Dzarfan; Liang, Xue; та ін. (2022-01). Microbial Fuel Cells (MFC): A Potential Game-Changer in Renewable Energy Development. Sustainability (англ.) 14 (24). doi:10.3390/su142416847.
• Boas, Joana Vilas; Oliveira, Vânia B.; Simões, Manuel; Pinto, Alexandra M. F. R. (1 квітня 2022). Review on microbial fuel cells applications, developments and costs. Journal of Environmental Management 307. doi:10.1016/j.jenvman.2022.114525.
• Vishwanathan, A. S. (1 травня 2021). Microbial fuel cells: a comprehensive review for beginners. 3 Biotech (англ.) 11 (5). doi:10.1007/s13205-021-02802-y.
• Slate Anthony J.; Whitehead Kathryn A.; Brownson Dale A. C.; Banks Craig E. (2019). Microbial fuel cells: An overview of current technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews (англ.) 101. с. 60–81. doi:10.1016/j.rser.2018.09.044.

Примітки

1. 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.) 7 (15). с. 3482–3504. ISSN 2398-4902. doi:10.1039/D3SE00237C. 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 та ін. (2023-05). Microbial Fuel Cell Construction Features and Application for Sustainable Wastewater Treatment. Membranes (англ.) 13 (5). с. 490. ISSN 2077-0375. PMC PMC10223362. PMID 37233551. doi:10.3390/membranes13050490. Процитовано 6 вересня 2023.  рекомендується |displayauthors= (довідка)
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.) 11 (17). с. 9333–9382. ISSN 2050-7496. doi:10.1039/D2TA09732J. 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.) 14 (24). с. 16847. ISSN 2071-1050. doi:10.3390/su142416847. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 10 (1). с. 18985. ISSN 2045-2322. doi:10.1038/s41598-020-75916-7. Процитовано 6 вересня 2023. 
6. Li, Feng; An, Xingjuan; Wu, Deguang; Xu, Jing; Chen, Yuanyuan; Li, Wenchao; Cao, Yingxiu; Guo, Xuewu та ін. (2019). Engineering Microbial Consortia for High-Performance Cellulosic Hydrolyzates-Fed Microbial Fuel Cells. Frontiers in Microbiology 10. ISSN 1664-302X. PMC PMC6432859. PMID 30936852. doi:10.3389/fmicb.2019.00409. Процитовано 6 вересня 2023.  рекомендується |displayauthors= (довідка)
7. Zhang, Tian; Ghosh, Dipankar; Tremblay, Pier‐Luc (19 вересня 2019). У Krishnaraj, R. Navanietha; Sani, Rajesh K. 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. ISBN 978-1-119-53854-7. doi:10.1002/9781119611103.ch11. 
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.) 11 (8). с. 2044. ISSN 2076-2607. PMC PMC10458277. PMID 37630604. doi:10.3390/microorganisms11082044. Процитовано 6 вересня 2023. 
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 7. ISSN 2296-598X. doi:10.3389/fenrg.2019.00093. Процитовано 6 вересня 2023. 
10. Banerjee, Aritro; Calay, Rajnish Kaur; Mustafa, Mohamad (2022-01). Review on Material and Design of Anode for Microbial Fuel Cell. Energies (англ.) 15 (6). с. 2283. ISSN 1996-1073. doi:10.3390/en15062283. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 12. с. 184798042211329. ISSN 1847-9804. doi:10.1177/18479804221132965. 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.) 13 (10). с. 6768–6778. ISSN 2046-2069. PMC PMC9969982. PMID 36860531. doi:10.1039/D3RA00683B. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 13 (4). с. 687. ISSN 2073-4344. doi:10.3390/catal13040687. Процитовано 6 вересня 2023. 
14. Zhang, Shifan; Schuster, Jürgen; Frühauf-Wyllie, Hanna; Arat, Serkan; Yadav, Sandeep; Schneider, Jörg J.; Stöckl, Markus; Ukrainczyk, Neven та ін. (2 листопада 2021). Conductive Geopolymers as Low-Cost Electrode Materials for Microbial Fuel Cells. ACS Omega (англ.) 6 (43). с. 28859–28870. ISSN 2470-1343. PMC PMC8567353. PMID 34746578. doi:10.1021/acsomega.1c03805. Процитовано 6 вересня 2023.  рекомендується |displayauthors= (довідка)
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.) 5 (2). с. 401–426. ISSN 2575-0356. doi:10.1002/eem2.12173. 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 8 (7). с. e09849. ISSN 2405-8440. PMC PMC9287189. PMID 35855980. doi:10.1016/j.heliyon.2022.e09849. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 10 (49). с. 16189–16196. ISSN 2168-0485. doi:10.1021/acssuschemeng.2c04399. 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.) 8 (5). с. 583. ISSN 2227-9717. doi:10.3390/pr8050583. Процитовано 6 вересня 2023. 
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 302. с. 117556. ISSN 0306-2619. doi:10.1016/j.apenergy.2021.117556. 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.) 19 (20). с. 13024. ISSN 1660-4601. PMC PMC9603446. PMID 36293614. doi:10.3390/ijerph192013024. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 43 (10). с. 1908–1921. ISSN 0930-7516. doi:10.1002/ceat.202000067. 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.) 3 (1). с. 1–9. ISSN 2399-3669. doi:10.1038/s42004-020-0316-z. 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.) 7 (4). с. 166. ISSN 2504-477X. doi:10.3390/jcs7040166. Процитовано 6 вересня 2023. 
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.) 15 (1). ISSN 2731-3654. PMC PMC9382818. PMID 35978352. doi:10.1186/s13068-022-02180-4. Процитовано 6 вересня 2023. 
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 254. с. 124163. ISSN 0360-5442. doi:10.1016/j.energy.2022.124163. 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.) 15 (22). с. 8396. ISSN 1996-1073. doi:10.3390/en15228396. Процитовано 6 вересня 2023.