Mikrobielle Brennstoffzelle



Eine mikrobielle Brennstoffzelle ( MBZ ) ( engl. Mikrobielle Brennstoffzelle ) Kann lebende Mikroorganismen , sterben im Rahmen ihres Energiestoffwechsels organischen substanzen verarbeiten, unmittelbar zur Energiegewinnung Nutzen.

Die beim Stoffwechsel involvierten Elektronen waren von diesen Mikroorganismen auf eine Elektrode übertragen und ermöglichen so die Stromgewinnung .

Sie erben Mikroorganismen in der MBZ, die Funktion eines Biokatalysators .

Anwendungen von mikrobiellen Brennstoffzellen liegen in aus der Energiegewinnung Abwässern und verweigern Immobilien, die aktuell erreichbaren Schließen Strom erlauben jedoch noch keine ökonomisch sinn voll nutzung in größerem umfang. [1]

Geschichte

Erste Untersuchungen zur Stromerzeugung beim Abbau von Organen wurden 1911 von M. Potter durchgeführt. [2] M. Potter, Professor für Botanik an der Universität von Durham , nach einem Elektronentransfer von E. coli -Zweigen. Diese Zusammenstöße waren sehr klein und die Labor Fand Wendy Beachtung.

Barnet Cohen (Johns Hopkins Medical School, Baltimore) entwickeln 1931 Mikrobielle Halbzellen, die in Serie Geschaltet Eine Spannung von bis zu 35 Volt generieren, allerdings bei Einem Stromfluss von Nur zwei Milliampere. [3]

Aufbau

Typischerweise Besteht Aus zwei Einer mikrobielle Brennstoffzelle separaten bereiche, und Das Den Anodenelektrode Kathodenkompartiment die Ein Durch Proton-Austausch-Membran (PEM) Getrennt Ist. [4]

Im leben Anodenbereich Mikroorganismen , die organische Substrat , die Acetat oxidieren. Sogenannte exoelektrogene Mikroorganismen Sind in der Lage , die bei diesem Prozess entstehenden direkt auf sterben Electron Anode zu übertragen, und so ermöglichen , die Stromgewinnung aus organisiert chen substanzen.

Als Oxidationsprodukt entsteht Kohlendioxyd . [5]

Während die äußere Elektronen EINEN Strom Kreis Durchlaufen, wandern die Protone Durch Die Eine oder PEM erzeugten Verwaltungsgemeinschaft Salzbrücke direkt zur Kathode . Ein of this erfolgt die Reduktion Eines Elektronenakzeptors mit Electron Proton und von der Anode. [4]

Elektronenturm

Je nach Elektronenakzeptor unterscheidet man eine anaerobe und eine aerobe Kathodenreaktion. Verbreitet ist dabei, dass aerobe Kathodenreaktion sowohl den Luftsauerstoff als auch den Elektronenakzeptor aktiviert.

Vorteil des Luftsauerstoffs ist, dass der Redoxpotential sehr hoch ist . [6] [7]

Bevorzugter Mechanismus der Sauerstoffreduktion ist, dass die Synthese von Wasser nach der folgenden Reaktionsgleichung: [4]

{\ displaystyle O_ {2} + 4H ^ {+} + 4. {-} \ bis 2 {H_ {2}} O.}

Daneben können Elektronen auch anaeroben kathodischen Materialien, die Eisencyanid wurden abgegeben. Da der jedoch im Elektronenakzeptor hier laufe der Zeit Wird verbraucht, gab es Durcheinander oder Regelmässig ERNEUERT regeneriert, so that of this in der anwendung Kathodentyp Nahezu unbedeutend ist: [1]

{\ displaystyle {Fe (CN) _ {6}} ^ {3 -} + e ^ {-} \ zu {Fe (CN) _ {6}} ^ {4-}.}

Elektronenübertragung auf die Anode

Der Prozess der Elektronentransfer von Mikroorganismen auf externe Akzeptoren ist nicht bekannt. [8] Die Folgenden Mechanismen sind bisher abgeschlossen.

Mediatoren

In früheren Studien zu mikrobiellen Brennstoffzellen gerechnet wurden Regelmässig externe Chemikalien, SOG. Mediatoren, zugegeben. Es sich dabei um wirkt substanzen , die Neutralrot , Anthrachinon-2,6-Disulfonat (AQDS) Thionin, Kaliumhexacyanidoferrat (III) , Methylviologen und andere , die , die Funktion des Elektronenakzeptors übernehmen. Elektronen wurden von den Mikroorganismen nützlich An die Mediatoren direkt abgegeben, die ihrerseits Elektronen Anode eine Düse abgeben. [1]

Einige Mikroorganismen sind in der Lage, selbst Mediatoren zu produzieren. Ein Beispiel für diese Sache. Endogenes Mediatoren ist Pyocyanin , das vom Bakterium Pseudomonas aeruginosa wieder verwendet. [9]

Nanodrähte

Bakterien der Gattungen Geobacter und Shewanella bilden leitfähige Anhängsel aus, die sogenanten, Nanodrähte. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Fortsätze könnte mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie modifiziert werden . [10]

Direkter Kontakt

Wenn DRITTER Elektronenübertragungs-Mechanismus kommt ein direkter Kontakt und between Zellwand Anode in Frage. Dieser Mechanismus ist nicht näher angesehen. [1] Versuche zeigen jedoch, Dass unter bedingungen anaerob kultivierte Shewanella oneidensis -Bakterien Zwei- bis fünfmal Eine Höhere Adhäsion ein Eisenoberflächen zeigen, wie bei Einer Aeroben Kultivierung. Während im Fall aerob die Elektronenabgabe ein Luftsauerstoff ist möglich, Durcheinander im ersteren ein Erfolgen Elektronentransfer Fall eines sterben Eisen-Elektroden. Das erhöht Adhäsion , die Vermutung zu Lassen that der über EINE Übertragung direkten Kontakt between Zelle und Eisen-Elektrode erfolgt. [11]

Anwendung als Biosensor

Der maximale Durchfluss in einer mikrobiellen Brennstoffzelle u. a. vom Energiegehalt von Medien und die Darin enthaltenen Brennstoff abhängt, can MBZs zur messung der KONZENTRATION mehr organische dienen Substrat. Die Brennstoffzelle dient in Diesem Fall als Biosensor . [12]

Die Betrachtung der Verschmutzung von Abwässern verläuft mit dem Sog. Biochemischer Sauerstoffbedarf (BSB). Das war es, was Menge an Sauerstoff, der Bio-Biologe Abbaum im Wasser war, organisch Stoffe benötigt wurde. Eine mikrobielle Brennstoffzelle kann als Sensor verwendet werden, um in Echtzeit BSB-Werte aufzunehmen.

Muss dabei sein sichergestellt jedoch that Sämtlichen BZW. ein Grossteil der Elektronen , die eine Anode aus Brennstoffzelle abgegeben Wird und von dem einfluss Zweit-Elektronenakzeptoren mini Miert weitestgehend WURDE. Dies Wird erreicht, INDEM aerobe Atmung und Nitratatmung unterbunden waren, INDEM Mann Oxidase-Hemmer , die Cyanid und Azid zugibt. [13]

Diese BSB-Sensoren sind komerziell erhältlich.

Weitere Anwendungsszenarien

Neben BSB-Sensoren, die eesetzt wurden, wurden von einer Brennstoffzellen eine weitere Anzahl potentieller Anwendungen eingeführt. Als Brennstoff kommt nahe organische Stoffe in Frage, die biologischen Abegaut wurden können.

Sediment-Brennstoffzelle

Das Sedimente-Brennstoffzelle Nutzt Sediment -Ablagerungen ein Meeresboden und Flüssen , in denen organische Stoffe und Sulfide Enthalten. INDEM die Anode der Brennstoffzelle im Sediment und sterben im Cathode daruber liegen unter ihm sauerstoffhaltigen Wasser Angebracht Wird, Kann elektrische Energie zurückgewonnen. Kann this Energie beispielsweise in Mess – Stationen waren genutzt diese pH-Wert, Wassertemperatur , Strömungen usw. Aufdecken. [6]

Wasserstoff-Produktion

Mikrobielle Brennstoffzellen können in der Elektrotechnik auch zur Wasserstoff- Produktion eingesetzt werden. Niedere Normale Betriebsbedingungen erfüllt eine Reaktion auf der Basis der Reaktionsgleichung. Durch Anlegen und die externe Spannung konnte jedermann von dem energetisch ungünstigeren Reaktionsweg ausgehen, wobei beide Protonen direkt mit Elektronen zu gasförmigem Wasserstoff kombinieren. [14]

Das theoretische externe externe Potential von 110 mV war dem Potential, dh der direkten Elektrolyse von Wasser bei dem neutralen pH-Wert (1210 mV), nicht unähnlich. [15]

Siehe auch

  • Bio-Brennstoffzelle
  • Biosensor

Einzelstunden

  1. ↑ Hochsprung nach:a d Bruce E. Logan: Mikrobielle Brennstoffzellen. John Wiley & Söhne; Auflage: 1. Auflage (8. Februar 2008), ISBN 978-0470239483 .
  2. Hochspringen↑ MC Potter: Elektrische Effekte bei der Zersetzung organischer Verbindungen. In: Proceedings der Royal Society B, Band 84, 1911, S. 260-276
  3. Hochspringen↑ B. Cohen: Die Bakterienkultur als elektrische Halbzelle. In: J. Bacteriol. Band 21, Nr. 1, 1931, S. 18-19 ( PDF-Datei, 6.1 MB )
  4. ↑ Hochsprung nach:a c H. Rismani-Yazdi et al .: Kathodische Einschränkungen in mikrobiellen Brennstoffzellen: Ein Überblick. In: J. Power Sources , Band 180, Nr. 2, 2008, 683-694
  5. Hochspringen↑ M. Zhou et al .: Eine Übersicht über Elektrodenmaterialien in mikrobiellen Brennstoffzellen. In: J. Power Sources , Band 196, Nr. 10, 2011, S. 4427-4435
  6. ↑ Hochsprung nach:a b B. E. Logan: Mikrobielle Brennstoffzellen: Methodik und Technologie. In: Umgebung Sci. & Technol. , Band 40, Nr. 17, 2006, S. 5181-5192
  7. Hochspringen↑ Y. Luo et al .: Stromerzeugung mit Kohlenstoff-Mesh-Kathoden mit unterschiedlichen Diffusionsschichten in mikrobiellen Brennstoffzellen. In: J. Power Sources , Band 196, Nr. 22, 2011, S. 9317-9321
  8. Hochspringen↑ JM Myers und CR Myers: Genetische Komplementation einer Cytochrom-omcB-Mutante der äußeren Membran oder Shewanella putrefaciens MR-1 benötigt omcB plus nachgeschaltete DNA. In: Appl. Umwelt Mikrobiol. , Band 68, Nr. 6, 2002, S. 2781-2793.
  9. Hochspringen↑ K. et al. Rabaey Biobrennstoffzellen wählen für mikrobielle Konsortien , den Elektronentransfer Selbst vermitteln. In: Appl. Umwelt Mikrobiol. , Band 70, Nr. 9, 2004, S. 5373-5382.
  10. Hochspringen↑ YA Gorby et al .: Elektrisch leitende bakterielle Nanodrähte, hergestellt von Shewanella, einem Stamm, Stamm MR-1 und anderen Mikroorganismen. In: PNAS , Band 103, Nr. 30, 2006, S. 11358-11363.
  11. Hochspringen↑ SK Lower et al .: Bakterienerkennung von Mineraloberflächen: nanoskalige Wechselwirkungen zwischen Shewanella und α-FeOOH. In: Science , Band 292, Nr. 5520, S. 1360-1363.
  12. Hochspringen↑ BH Kim: Neuartiger BSB-Sensor (Biological Oxygen Demand) mit einer mediatorlosen mikrobiellen Brennstoffzelle. In: Biotechnology Letters , Band 25, Nr. 7, 2003, S. 541-545.
  13. Hochspringen↑ IS Chang: Verbesserung einer mikrobiellen Brennstoffzellenleistung als BSB-Sensor mit Atemwegsinhibitoren In: Biosensors & Bioelectronics , Volume 20, Nr. 9, 2005, S. 1856-1859
  14. Hochspringen↑ H. Liu et al .: Elektrochemisch unterstützte mikrobielle Produktion oder Wasserstoff aus Acetat. In: Umgebung Sci. Technol. , 2005, S. 4317-4320.
  15. Hochspringen↑ Z. Du et al .: Ein State-of-the-Art-Review zu mikrobiellen Brennstoffzellen: Eine vielversprechende Technologie für die Abwasserbehandlung und Bioenergie. In: Biotechnology Advances , Band 25, 2007, S. 464-482.

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