Sådan fungerer mikrobielle brændselsceller

Hvis plante-mikrobielle brændselsceller griber ind, kan risplanter som disse betyde både energi og mad. Vil du lære mere? Tjek disse alternative brændstofbiler. Creative Commons / midorisyu (under CC BY 2.0-licens)

Direkte eller indirekte er næsten alt liv på Jorden solcelledrevet.

Planter omdanner sollys til organiske forbindelser, der, når de indtages af andet liv, overfører solens energi til resten af ​​fødevaren. Som mennesker får vi adgang til denne lagrede energi gennem fordøjelse og ved at brænde rå eller forarbejdede planter. Petroleum er bare langdøde organisk stof transformeret af geologiske kræfter, og førstegenerationsbiobrændstoffer udvindes fra majs, sukkerrør og vegetabilsk olie [kilde: The New York Times].

Desværre er petroleum lige så fyldt med miljø- og sikkerhedsproblemer som energi, og førstegenerationsbiobrændstoffer - som raffineres ved forbrænding af andre brændstoffer - falder godt under kulstofneutralitet. Værre er det, da globale fødevareafgrøder bogstaveligt talt mister terræn til biobrændstofproduktion, der øger knaphed fødevarepriser, sult og politisk ustabilitet [kilde: The New York Times].

Men hvad nu hvis der var en måde at få vores ris på og også brænde den på? Hvad hvis vi kunne hente energi fra afgrøder uden at dræbe dem eller generere kraft ved hjælp af planter og jord, der ikke er nødvendigt til mad, alt sammen gennem mikrobernes magt? Det er ideen bag plante-mikrobielle brændselsceller (PMFCs).

Når det kommer til at få livet til at fungere, får planter måske al den gode presse, men det er den meget ondartede mikrobe, der holder fødekæden sammen. Specifikt hjælper cyanobakterier med at danne dens base; tarmmikrober hjælper os med at fordøje mad fra det; og jordbakterier forvandler det resulterende affald til næringsstoffer, som planter kan bruge.

I årtier har forskere gravet rundt efter mulige måder at trække strøm fra denne mikrobielle metabolisme. I 1970'erne begyndte deres indsats at bære frugt i form af mikrobielle brændselsceller (MFC'er) - enheder, der genererer elektricitet direkte fra en kemisk reaktion katalyseret af mikrober [kilde: Rabaey og Verstraete]. MFC'er tilbyder vedvarende laveffektmuligheder til overvågning af forurenende stoffer, rengøring og afsaltning af vand og til at tænde for sensorer og instrumenter.

Der er selvfølgelig en fangst: MFC'er fungerer kun, så længe de har noget at nosh på - typisk organisk materiale i spildevandet [kilder: Deng, Chen og Zhao; ONR]. Forskere indså, at de kunne levere dette affald - en uendelig, solcelledrevet buffet af det - direkte til jordmikrober fra planter selv, og frøet fra en idé blev plantet.

I 2008 offentliggjorde forskere papirer, der annoncerede den første af disse plantedrevne MFC'er, og potentialet blev stadig mere klart [kilder: Deng, Chen og Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et al.]. Ved hjælp af denne skalerbare teknologi kunne landsbyer og gårde i udviklingslande blive selvforsynende, mens industrialiserede nationer kunne reducere deres drivhusfodspor ved at trække strøm fra vådområder, drivhuse eller bioraffinaderier [kilder: Doty; PlantPower].

PMFC'er er kort sagt en nyere, grønnere drejning om "kraftværker" - måske.

Indhold

1. Der er intet sted som ler
2. PMFC'er: Alle våde eller fremragende inden for deres felt?
3. Fra olie til plove

Jord, som det viser sig, er fuld af uudnyttet (elektrisk) potentiale.

Når grønne planter handler med fotosyntesen - omdannelse af energi fra sollys til kemisk energi og derefter opbevares i sukkerarter som glukose - udstråler de affaldsprodukter gennem deres rødder til et jordlag kendt som rhizosfære. Der tygger bakterier ned på planternes udskårne celler sammen med proteiner og sukker frigivet af deres rødder [kilde: Ingham].

I PMFC-termer betyder det, at så længe planten lever, har bakterierne et måltidsbillet, og brændselscellen genererer strøm. Den første lov om termodynamik, som nogle oversætter som "der er ikke noget som en gratis frokost," gælder stadig, fordi systemet modtager energi fra en ekstern kilde, nemlig solen.

Men hvordan i jorden, eller under den, genererer mikrober elektricitet ved blot at indtage og metabolisere mad? Som med kærlighed eller bagning, kommer det hele ned på kemi.

Stort set fungerer MFC'er ved at adskille to halvdele af en elektro-biokemisk proces (stofskifte) og kable dem sammen i et elektrisk kredsløb. Lad os se på cellemetabolismen i detaljer for at forstå hvordan.

I det følgende lærebogeksempel reagerer glukose og ilt og producerer kuldioxid og vand [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6C_O2 + 6H₂O

Men inden for individuelle celler - eller enkeltcellede organismer som bakterier - glimmer denne brede udsagn over en række mellemtrin. Nogle af disse trin frigiver midlertidigt elektroner, som vi alle ved er nyttige til generering af elektricitet. Så i stedet for at glukose og ilt reagerer for at producere kuldioxid og vand, producerer glukose og vand her kuldioxid, protoner (positivt ladede brintioner (H⁺)) og elektroner (e^-) [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

I en PMFC definerer denne halvdel af processen den ene halvdel af brændselscellen. Denne del er placeret i rhizosfæren med planterødder, affald og bakterier. Den anden halvdel af cellen ligger i iltrige vand på den modsatte side af en permeabel membran. I en naturlig omgivelse dannes denne membran af jord-vand-grænsen [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete; Deng, Chen og Zhao].

I den anden halvdel af cellen kombineres frie protoner og elektroner med ilt for at producere vand, som sådan:

6O₂ + 24H⁺ + 24e^- → 12H₂O

Protoner når denne anden halvdel ved at strømme over ionbyttermembranen, hvilket skaber en nettopositiv ladning - og et elektrisk potentiale, der får elektroner til at strømme langs den eksterne forbindelsesledning. Voila! Elektrisk strøm [kilder: Bennetto; Rabaey og Verstraete; Deng, Chen og Zhao].

Men hvor meget?

Udrota potentielle problemer

Bestemmelse af PMFCs 'miljøpåvirkning vil kræve yderligere forskning i en række områder, herunder hvordan elektroder påvirker rodmiljøet. De kan potentielt reducere næringsstoftilgængeligheden, for eksempel eller reducere en plantes evne til at bekæmpe infektion [kilde: Deng, Chen og Zhao].

Fordi de fungerer bedst i nogle af vores mest beskyttede lande - vådområder og afgrøder - kunne PMFC'er stå over for en stejl miljøgodkendelsesproces. På den anden side kan spildevands-MFC'er oxidere ammonium og reducere nitrater, så det er muligt, at plantebaserede MFC'er kan afbalancere risikoen ved at beskytte vådområder mod afrenning i landbruget [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miller; Tweed].

Fra og med 2012 producerer PMFC'er ikke meget energi og fungerer kun i vandmiljøer med planter som rørmannagrass (Glyceria maxima), ris, fælles cordgrass (Spartina anglica) og gigantisk rør (Arundo donax) [kilder: Deng, Chen og Zhao; PlantPower]. Hvis du løb hen over et felt af PMFC'er, som tagplasteret ved det hollandske institut for økologi i Wageningen, ville du aldrig vide, at det var andet end en samling af planter, bortset fra de farverige ledninger, der trækker ud fra jorden [kilde: Williams].

Stadig fortsætter deres potentielle applikationer med at tackle andre globale bæredygtighedsproblemer, herunder den belastning, som biobrændstoffer placerer på et allerede overbelastet globalt fødevareforsyningssystem, fortsat med at inspirere forskere og mindst en efterforskningsforetagende, det 5,23 millioner euro-projekt PlantPower [kilder: Deng , Chen og Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Fordi PMFC'er allerede arbejder på akvatiske planter, behøver landmænd og landsbyer ikke at dumpe deres vandbaserede risafgrøder for at implementere dem. I større skala kunne samfund oprette PMFC'er i vådområder eller områder med dårlig jordkvalitet og undgå jordkonkurrence mellem energi og fødevareproduktion [kilde: Strik et al.]. Producerede indstillinger som drivhuse kunne producere energi hele året, men landbrugsarealproduktion afhænger af vækstsæsonen [kilde: PlantPower].

Produktion af mere energi lokalt kunne reducere CO2-emissioner ved at reducere efterspørgslen efter brændstofforsendelse - i sig selv en vigtig bidragyder af drivhusgasser. Men der er en fangst, og det er en temmelig betydelig fangst: Selv hvis PMFC'er bliver så effektive som muligt, står de stadig over for en flaskehals - den fotosyntetiske effektivitet og affaldsproduktion af selve anlægget.

Planter er overraskende ineffektive til at omdanne solenergi til biomasse. Denne konverteringsgrænse kommer dels fra kvantefaktorer, der påvirker fotosyntesen, dels fra det faktum, at kloroplast kun optager lys i 400-700 nanometerbåndet, der tegner sig for ca. 45 procent af den indkommende solstråling [kilde: Miyamoto].

De to mest udbredte typer af fotosyntetiserende planter på Jorden er kendt som C3 og C4, så benævnt på grund af antallet af carbonatomer i de første molekyler, de danner under CO₂ opdeling [kilder: Seegren, Cowcer og Romeo; SERC]. Den teoretiske konverteringsgrænse for C3-planter, der udgør 95 procent af planterne på Jorden, inklusive træer, topper sig på kun 4,6 procent, mens C4-planter som sukkerrør og majs klatrer nærmere op til 6 procent. I praksis opnår imidlertid hver af disse plantetyper generelt kun 70 procent af disse værdier [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miyamoto; SERC].

Med PMFC'er, som med enhver maskine, går noget energi tabt ved at køre værkerne - eller i dette tilfælde i at dyrke anlægget. Af den biomasse, der er bygget af fotosyntesen, når kun 20 procent rhizosfæren, og kun 30 procent af det bliver tilgængeligt for mikrober som mad [kilde: Deng, Chen og Zhao].

PMFC'er genvinder omkring 9 procent af energien fra den resulterende mikrobielle stofskifte som elektricitet. Alt i alt svarer det til en PMFC-sol-til-elektrisk konverteringsfrekvens, der nærmer sig 0,017 procent for C3-planter ((70 procent af 4,6 procent-konverteringsfrekvensen) x 20 procent x 30 procent x 9 procent) og 0,022 procent for C4-planter (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [kilder: Deng, Chen og Zhao; Miyamoto; SERC].

Faktisk mener nogle forskere, at disse antagelser undervurderer potentialet ved PMFC'er, hvilket kun kan være en god nyhed for forbrugerne.

Det er hydromatisk

Interessen for brændselsceller, der gør det muligt for biler at dække flere miles end batterikraft alene og lettere implementeres i store køretøjer, fortsatte med at stige i november 2012 [kilde: Ko]. Men selv om brintbrændstof kan virke grønt, kræver dets produktion masser af elektricitet, hvilket gør det til alt andet end kulstofneutral [kilde: Wüst]. PMFC'er, der naturligt producerer brintgas, kan byde på håb om virkelig grøn brintbrændstofproduktion.

Du ser på to forskellige designs til PMFC'er, som begge blev placeret på en tagterrasse i Wageningen, Holland. Image høflighed Marjolein Helder / Plant-e

Som enhver ny teknologi står PMFC'er over for en række udfordringer; for eksempel har de brug for et underlag, der samtidig favoriserer plantevækst og energioverførsel - to mål, der undertiden er i odds. Forskelle i pH mellem de to cellehalvor kan for eksempel medføre tab af elektrisk potentiale, idet ioner "kort" over membranen for at opnå kemisk balance [kilde: Helder et al.].

Hvis ingeniører kan finde ud af kninks, kan PMFC'er dog have et stort og varieret potentiale. Det hele kommer ned på, hvor meget energi de kan producere. Ifølge et estimat fra 2008 kommer dette magiske antal ind på omkring 21 gigajoules (5.800 kilowatt-timer) pr. Ha (2,5 acres) hvert år [kilde: Strik et al.]. Nyere forskning har anslået, at antallet kan gå til høje 1.000 gigajoules per hektar [kilde: Strik et al.]. Et par flere fakta til perspektiv [kilder: BP; Europa-Kommissionen]:

• En tønde olie indeholder omkring 6 gigajoules kemisk energi.
• Europa er hjemsted for 13,7 millioner landmænd med hver gennemsnit på 12 ha (29,6 acres).
• Til sammenligning har Amerika 2 millioner landmænd i gennemsnit 180 ha (444,6 acres) hver.

Baseret på disse tal, hvis 1 procent af de amerikanske og europæiske landbrugsarealer blev konverteret til PMFC'er, ville de give et baggrundsoverslag på 34,5 millioner gigajoules (9,58 milliarder kilowatt-timer) årligt for Europa og 75,6 millioner gigajoules (20,9 milliarder kilowatt-timer) årligt for Amerika.

Til sammenligning forbrugte de 27 EU-lande i 2010 1.759 millioner tons olieækvivalent (TOE) i energi eller 74,2 milliarder gigajoules (20,5 billioner kilowatt-timer). TOE er en standardiseret enhed for international sammenligning, svarende til energien i et ton olie [kilder: Europa-Kommissionen; Universcience].

I dette forenklede scenarie giver PMFC'er et fald i en meget stor energipand, men det er et forureningsfrit dråbe og et dråbe, der genereres fra frodige landskaber i stedet for røgfremkaldende kraftværker eller fuglesvindende vindmølleparker.

Derudover er det bare begyndelsen. Forskere arbejder allerede med mere effektive affaldssnakende bakterier og mellem 2008 og 2012 fremskridt inden for substratkemi mere end fordoblet den elektriske produktion i nogle PMFC'er. PlantPower hævder, at når PMFC'er, når de var perfekt, kunne give så meget som 20 procent af Europas primær energi -- det vil sige energi, der stammer fra ikke-transformerede naturlige ressourcer [kilde: Øvergaard; PlantPower].

PMFC'er skal blive billigere og mere effektive, før de kan nyde bred implementering, men der er sket fremskridt. Allerede sparer mange MFC'er penge ved at fremstille elektroder fra meget ledende kulstofstof i stedet for ædle metaller eller dyre grafitfilt [kilder: Deng, Chen og Zhao; Tweed]. Fra 2012 kostede det $ 70 til at betjene en opstilling på en kubikmeter under laboratorieforhold.

Hvem ved det, når man overvejer deres potentiale til at fjerne forurenende stoffer og reducere drivhusgasser. PMFC'er kunne samle investor- og regeringsinteresse nok til at blive fremtidens kraftværker - eller plante frøet for en endnu bedre idé [kilde: Deng, Chen og Zhao].

Forfattere Bemærk: Sådan fungerer mikrobielle brændselsceller

Hvis du tænker over det, med at opbygge et batteri, der kan løbe tør for bakterielle fordøjelsesprocesser, bringer os et skridt nærmere cyborgs og selvdrevne maskiner. Den menneskelige krop er afhængig af tarmbakterier for at omdanne mad til energi; hvis vi kunne bruge denne proces til at juice brændselsceller, kan vi også tænke kropslige implantater, såsom pacemakere.

Forskere ved Harvard Medical School og Massachusetts Institute of Technology har allerede sløret denne linje og konstrueret en hjernechip drevet af glukose, som den høster fra recirkuleret cerebrospinalvæske [kilde: Rapoport, Kedzierski og Sarpeshkar]. Kan cyberbrains være langt bagefter? (Nå, ja, sandsynligvis).

Forestil dig bare: Vi kunne bygge maskiner, der græsser! OK, det lyder måske ikke så sexet som strålepistoler og raketskibe, men sådanne maskiner kan forblive aktive i marken på ubestemt tid uden behov for opladning eller nye batterier. En samling af MFC'er kunne danne en provisorisk tarm, der trækker elektricitet fra plantens glukose.

Skulle nogen forfølge denne idé, håber jeg, at de vil ansætte PMFC'er. Jeg ser for mig flokke af hvide keramiske robotter omfattet af Salvia hispanica, og jeg stiller spørgsmålet:

Drømmer androider om elektriske Chia Pets?

relaterede artikler

• Kan min krop generere kraft, når jeg dør?
• Sådan fungerer brændselsceller
• Sådan fungerer jordlamper
• Hvad er et ølbatteri?

Kilder

• Bennetto, H.P. "Elektricitetsgenerering af mikroorganismer." Bioteknologi Uddannelse. Vol. 1, nr. 4. Side 163. 1990. (10. januar 2013) http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/protocols/PRACBIOTECH/PDF/bennetto.pdf
• British Petroleum. "Gigajoule." Ordliste. (10. januar 2013) http://www.bp.com/glossaryitemlinks.do?contentId=7066767&alphabetId=7&categoryId=9036141
• Deng, Huan, Zheng Chen og Feng Zhao. "Energi fra planter og mikroorganismer: Fremskridt i plantemikrobielle brændselsceller." ChemSusChem. Vol. 5, nr. 6. Side 1006. juni 2012. (10. januar 2013) http://www.researchgate.net/publication/51871942_Energy_from_Plants_and_Microorganisms_Progress_in_Plant-Microbial_Fuel_Cells/file/9fcfd4fe35d29c822c.pdf
• De Schamphelaire, Liesje et al. Mikrobielle brændselsceller, der genererer elektricitet fra rhizodeposits af risplanter. Miljøvidenskab og teknologi. Vol. 42, nr. 8. Side 3053. marts 2008.
• Dillow, Clay. "Mikrobiel brændselscelle renser spildevand, afsaltning af havvand og genererer strøm." Populær videnskab. 6. august 2009. (10. januar 2013) http://www.popsci.com/scitech/article/2009-08/microbial-fuel-cell-cleans-wastewater-desalinates-seawater-and-generates-power
• Doty, Cate. "For Afrika, 'Energi fra snavs.'" The New York Times. 10. november 2008. http://www.nytimes.com/2008/11/11/giving/11AFRICA.html?_r=0
• Europa-Kommissionen. "Den fælles landbrugspolitik og landbrug i Europa - ofte stillede spørgsmål." 11. juni 2012. (10. januar 2013) http://ec.europa.eu/agriculture/faq/index_en.htm
• Europa-Kommissionen. "Forbrug af energi." (10. januar 2013) http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php/Cumum_of_energy
• Helder, Marjolein. "Designkriterier for den plantemikrobielle brændselscelle." Speciale, Wageningen Universitet. Forsvaret 23. november 2012.
• Helder, Marjolein og Nanda Schrama. Personlig korrespondance. Januar 2013.
• Helder, M. et al. "Nyt plantevækstmedium til øget effekt fra plantemikrobiel brændselscelle." Bioresource Technology. Vol. 104. Side 417. januar 2012.
• Hortert, Daniel, et al. "Baggrund." NASA Goddard Space Flight Center Uddannelse Startside. (10. januar 2013) http://education.gsfc.nasa.gov/experimental/all98invProject.Site/Pages/trl/inv2-1.abstract.html
• Ingham, Elaine. "Soil Food Web." Naturressourcer Conservation Service. (10. januar 2013) http://soils.usda.gov/sqi/concepts/soil_biology/soil_food_web.html
• Ko, Vanessa. "Hydrogenbrændstofcellebiler ser på at overvinde elektriske biler." CNN. 26. november 2012. (10. januar 2013) http://edition.cnn.com/2012/11/25/business/eco-hydrogen-fuel-cell-cars/index.html
• LaMonica, Martin. "Hybrid solcelle rammer høj effektivitet." MIT Technology Review. 5. september 2012. (10. januar 2013) http://www.technologyreview.com/view/429099/hybrid-solar-cell-hits-high-efficiency/
• Miller, Brian. "Vådområder og vandkvalitet." Purdue University. (10. januar 2013) http://www.extension.purdue.edu/extmedia/WQ/WQ-10.html
• Miyamoto, Kazuhisa, red. "Fornyelige biologiske systemer til alternativ produktion af bæredygtig energi." De Forenede Nationers fødevare- og landbrugsorganisation. 1997. (10. januar 2013) http://www.fao.org/docrep/W7241E/W7241E00.htm
• The New York Times. "Biobrændstoffer". 17. juni 2011. (10. januar 2013) http://topics.nytimes.com/top/news/business/energy-en miljø/biofuels/index.html
• Kontoret for Naval Research. "Mikrobielle brændselsceller." (10. januar 2013) http://www.onr.navy.mil/da/Media-Center/Fact-Sheets/Microbial-Fuel-Cell.aspx
• Øvergaard, Sara. "Udgivelsesdokument: Definition af primær og sekundær energi." September 2008. (10. januar 2013) http://unstats.un.org/unsd/envaccounting/londongroup/meeting13/LG13_12a.pdf
• Oxford Dictionary of Science. Alan Isaacs, John Daintith og Elizabeth Martin, red. Oxford University Press, 2003.
• PlantPower. "Levende planter i mikrobielle brændselsceller til ren, vedvarende, bæredygtig og effektiv bioenergiproduktion i situationen." 2012. (10. januar 2013) http://www.plantpower.eu/
• Rabaey, Korneel og Willy Verstraete. "Mikrobielle brændselsceller: ny bioteknologi til energiproduktion." TRENDER inden for bioteknologi. Vol.23, nr.6. Side 291. juni 2005. (10. januar 2013) http://web.mit.edu/pweigele/www/SoBEI/Info_files/Rabaey%202005%20Trends%20Biotechnol.pdf
• Seegren, Phil, Brendan Cowcer og Christopher Romeo. "Sammenlignende analyse af RuBisCo-ekspression og proteinniveauer i C3- og C4-planter." (10. januar 2013) http://csmbio.csm.jmu.edu/bioweb/bio480/fall2011/winning/Rubiscoooo/Intro.htm
• Smithsonian Environmental Research Center (SERC). "C3- og C4-planter." (10. januar 2013) http://www.serc.si.edu/labs/co2/c3_c4_plants.aspx
• Strik, David P.B.T.B., et al. "Mikrobielle solceller: Anvendelse af fotosyntetiske og elektrokemisk aktive organismer. Tendenser inden for bioteknologi." Vol. 29, nr. 1. Side 41. januar 2011.
• Strik, David P.B.T.B., et al. "Grøn elektricitetsproduktion med levende planter og bakterier i en brændselscelle." International Journal of Energy Research. Vol. 32, nr. 9. Side 870. juli 2008. (10. januar 2013) http://www.microbialfuelcell.org/publications/wur/strik_et%20al_2008.pdf
• Tenenbaum, David. "Mad mod brændstof: Omlægning af afgrøder kan forårsage mere sult. Miljøperspektiver på sundheden." Vol. 116, nr. 6. Side A254. Juni 2008. (10. januar 2013) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430252/pdf/ehp0116-a00254.pdf
• Tweed, Katherine. "Brændselscelle behandler spildevand og høstes energi." Videnskabelig amerikansk. 16. juli 2012. (10. januar 2013) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=microbial-fuel-cell-treats-wastewater-harvests-energy
• Universcience. "Ton af olieækvivalent (TOE)." Ordliste. (10. januar 2013) http://www.universcience.fr/da/lexique/definition/c/1248117918831/-/p/1239026795199/lang/an
• Williams, Caroline. "Dyr din egen elektricitet." Ny videnskabsmand. 16. februar 2012.
• Wüst, Christian. "BMW's Hydrogen 7: Ikke så grøn som det ser ud til." Der Spiegel. 17. november, 2006. (10. januar 2013) http://www.spiegel.de/international/spiegel/bmw-s-hydrogen-7-not-as-green-as-it-seems-a-448648 .html