Cel·la de combustible biològic
Una cel·la de combustible biològic o cel·la de combustible microbià (en anglès: microbial fuel cell, MFC) és un sistema bioelectroquímic que proporciona un corrent elèctric imitant les interaccions bacterianes que es troben en la natura.
Aquesta cel·la microbiana converteix l'energia química en energia elèctrica mitjançant la reacció catalítica de microorganismes[1]
Com una cel·la normal de combustible, una MFC té una cambra amb un càtode i un ànode. L'ànode aòxic està connectat internament via una membrana de bescanvi amb el circuit completat per un cable extern. Típicament els ànodes i càtodes estan separats per una membrana semipermeable carregada positivament (catió). El compartiment de l'ànode s'oxida pels microorganisme, que generen electrons i protons. Els electrons es transfereixen al compartiment del càtode per un circuit elèctric extern, mentre que els protons es transfereixen al compartiment del càtode per una membrana. Els electrons i protons es consumeixen en el compartiment del càtode i es combinen amb oxigen per formar aigua.
Entre els factors que afecten l'eficiència òptima del sistema hi ha les soques bacterianes que es facin servir, el tipus de membrana de bescanvi d'ions i les condicions del sistema (temperatura, pH, etc.) que no estan encara ben compreses.
Història
[modifica]La idea d'usar cel·les microbianes per produir electricitat arrenca de l'any 1911 quan M.C. Potter, un professor de botànica, va ser el primer a aconseguir-ho utilitant el bacteri Escherichia coli'.[2]
El 1931 Barnet Cohen tornà a prestar atenció a aquest assumpte produint, amb una sèrie de cel·les connectades 35 volts però amb un corrent de només 2 mil·liampers.[3]
Posteriorment DelDuca et al. utilitzaren hidrogen provinent de la fermentació de la glucosa per Clostridium butyricum com a reactiu en l'ànode d'una cel·la d'hidrogen i aire, el problema va ser la inestable producció d'hidrogen per part del microorganisme.[4] Aquest problema va ser resolt per Suzuki et al. el 1976[5] l'actual disseny d'aquesta cel·la la va fer Suzuki un any més tard.[6]
MJ Allen, i més tard H. Peter Bennetto tots dos del King's College London a principi de la dècada de 1980 desenvoluparen aquest projecte orientat al subministrament d'energia en els països en desenvolupament.
El maig de 2007, la Universitat de Queensland, Austràlia, completà el prototipus que converteix les aigües residuals d'una fàbrica de cervesa a diòxid de carboni, aigua neta i electricitat, s'estima que amb aquest prototipus es produiran 2 kilowatts d'energia. Encara que és molt poca energia l'aigua neta és de gran importància per Austràlia on la secada sempre és una amenaça.
Tipus
[modifica]A grans trets hi ha dos tipus de cel·les de combustible microbià:
- Amb mediador microbià (Mediator microbial fuel cell): La majoria de les cel·les microbianes són electomecànicament inactives i l'activitat és facilitada per mediadors com la tionina, blau de metil, àcid húmic, etc.[7][8] La majoria dels mediadors disponibles són cars i tòxics.
- Lliures de mediador microbià (Mediator-free microbial fuel cell)
Aquestes cel·les no requereixen un mediador però fan servir bacteris electroquímicament actius per transferir electrons a l'elèctrode. Entre aquests bacteris electroquímicament actius hi ha Shewanella putrefaciens,[9] Aeromonas hydrophila,[10] i altres. Algunes d'aquest tipus de cel·les derivar energia directament a certes plantes aquâtiques i altres que no ho són com Glyceria maxima, arròs, tomaqueres, llobins i algues.[11] Aquestes cel·les s'anomenen de combustible microbià i plantes (Plant Microbial Fuel Cell) (Plant-MFC)[12] Això té avantatges ecològics.
Usos
[modifica]- Generació d'energia
- Neteja d'aigües residuals
- Biosensor.
Referències
[modifica]- ↑ Allen, R.M.; Bennetto, H.P. «Microbial fuel cells: Electricity production from carbohydrates». Applied Biochemistry and Biotechnology, 39-40, 1993, pàg. 27–40.
- ↑ Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Royal Society (Formerly Proceedings of the Royal Society) B, 84, p260-276
- ↑ Cohen, B. (1931). The Bacterial Culture as an Electrical Half-Cell, Journal of Bacteriology, 21, pp18–19
- ↑ DelDuca, M. G., Friscoe, J. M. and Zurilla, R. W. (1963). Developments in Industrial Microbiology. American Institute of Biological Sciences, 4, pp81–84.
- ↑ Karube, I., T. Matasunga, S. Suzuki & S. Tsuru. (1976). Continuous hydrogen production by immobilized whole cells of Clostridium butyricum Biocheimica et Biophysica Acta 24:2 338–343
- ↑ Karube, Isao; Matsunaga, Tadashi; Tsuru, Shinya; Suzuki, Shuichi «Biochemical cells utilizing immobilized cells of Clostridium butyricum». Biotechnology and Bioengineering, 19, 11, novembre 1977, pàg. 1727–1733. DOI: 10.1002/bit.260191112.
- ↑ Delaney, G. M.; Bennetto, H. P.; Mason, J. R.; Roller, S. D.; Stirling, J. L.; Thurston, C. F. «Electron-transfer coupling in microbial fuel cells. 2. Performance of fuel cells containing selected microorganism-mediator-substrate combinations». Journal of Chemical Technology and Biotechnology. Biotechnology, 34, 2008, pàg. 13. DOI: 10.1002/jctb.280340104.
- ↑ Lithgow, A.M., Romero, L., Sanchez, I.C., Souto, F.A., and Vega, C.A. (1986). Interception of electron-transport chain in bacteria with hydrophilic redox mediators. J. Chem. Research, (S):178–179.
- ↑ Kim, B.H., Kim, H.J., Hyun, M.S., Park, D.H. 1999a. Direct electrode reaction of Fe (III) reducing bacterium, Shewanella putrefacience Arxivat 2004-09-08 a Wayback Machine.. J Microbiol. Biotechnol. 9:127–131.
- ↑ Pham, C. A.; Jung, S. J.; Phung, N. T.; Lee, J.; Chang, I. S.; Kim, B. H.; Yi, H.; Chun, J. «A novel electrochemically active and Fe(III)-reducing bacterium phylogenetically related toAeromonas hydrophila, isolated from a microbial fuel cell». FEMS Microbiology Letters, 223, 1, 2003, pàg. 129–134. DOI: 10.1016/S0378-1097(03)00354-9. PMID: 12799011.
- ↑ «Mediator-less microbial fuel cell schematic + explanation». Arxivat de l'original el 2011-03-10. [Consulta: 24 desembre 2011].
- ↑ Plant MFC term
- The Biotech/Life Sciences Portal. «Impressive idea – self-sufficient fuel cells». Baden-Württemberg GmbH, 20 Jan 2006. Arxivat de l'original el 2011-07-21. [Consulta: 7 febrer 2011].
- Liu H, Cheng S and Logan BE «Production of electricity from acetate or butyrate using a single-chamber microbial fuel cell». Environ Sci Technol, 32, 2, 2005, pàg. 658–62. DOI: 10.1021/es048927c.
- Rabaey, K. & W. Verstraete «Microbial fuel cells: novel biotechnology for energy generations». Trends Biotechnol, 23, 6, 2005, pàg. 291–298. DOI: 10.1016/j.tibtech.2005.04.008. PMID: 15922081.
- Yue P.L. and Lowther K. (1986). Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a Biochemical Fuel Cell. The Chemical Engineering Journal, 33B, p 69-77
Bibliografia
[modifica]- Rabaey, K.; Rodríguez, Jorge; Blackall, Linda L; Keller, Jurg; Gross, Pamela; Batstone, Damien; Verstraete, Willy; Nealson, Kenneth H; 1 «Microbial ecology meets electrochemistry: electricity-driven and driving communities». Isme J., 1, 1, maig, 2007, pàg. 9–18. DOI: 10.1038/ismej.2007.4. PMID: 18043609.
- Pant, D.; Van Bogaert, Gilbert; Diels, Ludo; Vanbroekhoven, Karolien; 1 «A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production». Bioresource Technology, 101, 6, març, 2010, pàg. 1533–1543. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.10.017. PMID: 19892549.