Биотопливо. Основные подходы в конструировании биотоплевных элементов

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ  БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

Химико-биологический факультет

Кафедра микробиологии

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Промышленная микробиология и биотехнология»

 

Биотопливо. Основные подходы в конструировании биотоплевных элементов

 

 

 

 

 

 

Руководитель работы

канд. биол. наук, доцент кафедры микробиологии

______________Е.А. Дроздова

«__»_________________ 2014 г.

Исполнитель

студент группы 11Био(б)МБ

____________О.В. Григорьева

«__»_________________2014 г.

 

 

 

 

 

 

 

Оренбург 2014

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Все ищут новые альтернативные источники энергии. Специалисты считают перспективными экологически безопасные, неиссякаемые и дешевые микробные топливные элементы. Принцип их работы основан на способности бактерий к перевариванию органики. В результате разложения сахаров до спиртов и кислот освобождаются электроны, которые можно использовать.

Биоэнергетика — новое научное и прикладное направление в сфере альтернативной энергетики, занимающееся получением энергии на основе принципов живой природы.

В современной биоэнергетике идея получения электричества с использованием механизмов живой природы весьма популярна и реализуется, в частности, путем разработки экологически безопасных, неиссякаемых и недорогих биологических топливных элементов. В таких электрохимических устройствах химическая энергия превращается в электрическую с помощью биокатализаторов [1]. Ими могут быть ферменты (ферментные топливные элементы) или органеллы и целые клетки (микробные топливные элементы), в которых энергия трансформируется за счет метаболической активности микроорганизмов. Широкое внедрение таких элементов позволит значительно снизить потребление органического топлива, не уменьшая при этом уровень энергопотребления [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 История

 

Идея получения электричества от бактерий родилась еще в 19 веке, а в 1931 году Барни Кохан создал первые микробиологические ячейки, дававшие ток в 2 мА. Но первые эффективные биотопливные элементы появились только в начале этого тысячелетия. Стюарта Вилкинсона из Университета Южной Флориды, пожалуй, можно назвать вдохновителем этого течения, ведь он создал первого робота, успешно работающего на сахаре. 

Позднее, в 2002 году, основываясь на достижениях Вилкинсона, Крис Мелхуиш, Тони Пайп и Иоанис Иеропулос из лаборатории автономных интеллектуальных систем университета Западной Англии в Бристоле разработали батарею EcoBot-I, работающую изначально на чистом сахаре (поскольку он растворялся без остатка) и вырабатывающую всего несколько нановатт и 15 мА. К 2004 году ученые перевели устройство EcoBot-II на гнилые фрукты и мертвых мух. Такие топливные элементы по эффективности и цене сильно уступали щелочным батарейкам, зато могли работать неограниченно долго, пока были мухи и фрукты. В 2007 году появился EcoBot-III, который уже генерировал несколько милливатт. Сегодня ученые продолжают совершенствовать свое изобретение.

Неэффективными микробиологические источники энергии в первую очередь делала реакция металлических электродов с продуктами ферментации. Прорывом в этом вопросе можно назвать 2003 год. Уве Шредер и его коллеги из Университета им. Эрнста Морица Арндта в городе Грейфсвальд повысили количество вырабатываемого электричества в десять раз – их бактерия, которая питалась сахаром, производила ток в 150 мА. Добиться этого немецким ученым помогло покрытие платинового анода электропроводящим полимером (полианилином). Такая пленка изолировала металл от продуктов брожения. Каждые 20 минут электрические импульсы очищали оболочку, благодаря чему источник энергии работал несколько часов.

В 2006 году Вилли Верстрет и его коллеги из бельгийского университета Гента добились тока в 255 мА от переработки сточных вод. Вообще переработка отходов стала немаловажным дополнительным стимулом для ученых в этой сфере [5].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Микробные биотопливные элементы

 

Первые публикации о возможном использовании микроорганизмов для генерирования электричества появились еще в начале ХХ в. [1, 2]. Однако 90 % работ в этой области относится к последним 10 - 15 годам, когда стали очевидными уникальные перспективы таких биотопливных элементов [3, 6]. Но для их практического применения надо решить ряд взаимосвязанных технологических задач, требующих специфического подхода (микробиологического, электрохимического, молекулярно-биологического, экологического, геологического и др.).

Перспективная сфера приложения микробных биотопливных элементов — утилизация органических отходов с выработкой электричества. Интенсивный рост численности населения и увеличение производственных мощностей в течение XX в. привели к значительному накоплению локальных антропогенных отходов, в том числе и органических, большую часть которых можно использовать как источник энергии. Так, отходы сельского хозяйства и деревоперерабатывающей промышленности, пищевые и др. могут обеспечивать энергией потребителей в населённых пунктах, сельскохозяйственных и промышленных зонах за счет небольших установок по переработке. Это позволит решить проблему избыточного накопления органических отходов и снизить зависимость потребителей от традиционных источников энергии.

Работа по созданию систем микробной переработки отходов была направлена на разработку топливного элемента, который позволяет получать электроэнергию из после спиртовой барды. Этот отход часто сливают на поля фильтрации (в среднем на 1 л произведенного спирта приходится до 10 л барды), что негативным образом сказывается на состоянии окружающей среды. Было выделено сообщество микроорганизмов (бактерии Eubacterium aggregans, Enterococcus gilvus, Advenella faeciporci, Oscillibacter sp., Lactococcus lactis и др.), которое при переработке сточных вод от предприятий, производящих спирт, восстанавливало нерастворимые акцепторы электронов — Fe2O3.

В разработанном лабораторном прототипе микробного элемента использовались микроорганизмы, наиболее эффективно перерабатывающие барду и генерирующие электроэнергии. В процессе роста они избирательно покрывали поверхность анодного электрода. Для культивирования отобранного микробного сообщества была создана уникальная конструкция. Максимальная мощность этого микробного элемента, стабильно работающего более 50 дней, составила более 0.5 мВт/300 мл среды культивирования [4].

Такая технология в будущем может иметь значительные перспективы. В июне 2012 г. международный научный химический журнал посвятил специальный выпуск технологии биологических топливных элементов. Главным образом, это вызвано перспективами использования микробных биотопливных элементов в очистке сточных вод от сравнительно безопасных пищевых до токсичных и даже радионуклидов и в переработке различных типов отходов с получением возобновляемой энергии.

Микробные электролизные элементы, схожие с топливными, используются для получения важных химических веществ (например, водорода). В них на аноде микроорганизмы (Geobacter, Shewanella и др.) окисляют органические вещества, что уменьшает мощность, необходимую для получения на катоде водорода. Такая система годится и для переработки сточных вод в анодной камере. Катодный процесс может быть химическим или катализироваться микроорганизмами [7].

Микробиологические топливные элементы подразделяют на микробные и ферментные, соответственно в качестве катализаторов в них применяют либо целые микроорганизмы, либо ферментные препараты. Часто ученые используют бактерию Escherichia coli, или попросту кишечную палочку. «Большой процент используемых микроорганизмов составляют Geobacter (анаэробные железобактерии)», - считает Келли Нэвин (Массачусетский университет). Некоторые разработчики полагают, что сам вид бактерий вообще не важен, поэтому можно использовать естественную микрофлору. «Мы используем любые бактерии, присутствующие в сточных водах. Мы создаем для них наилучшие условия для переваривания органики и производства электронов», - рассказывает Тамар Ашлаги-Амири. 
Если в топливном элементе одновременно присутствует много микроорганизмов, то природа сама разберется и поможет конструктору. Например, в своих опытах Вилли Верстрет использовал одновременно несколько видов бактерий. В процессе работы энергетической установки между микробами шла настоящая война. В результате в колонии численный перевес перешел к бактериям вида Brevibacillus agri, оказавшимся самыми продуктивными в генерации электричества.

Профессор Дерек Лавли из Массачусетского университета установил, что бактерии под названием «пили» (семейство Geobacter) с бугристой поверхностной структурой в восемь раз эффективнее при передаче электронов и производстве электричества, чем бактерии с гладкой поверхностью, используемые ранее. Топливные ячейка на бактериях пили попала на восьмое место в списке «The Times» 50 лучших изобретений 2009 года. Коллега Дерека Лавли, Келли Нэвин утверждает: «Это изобретение – рекордсмен по мощности и его эффективность может быть доведена до 100 %».

В качестве топлива могут использовать углеводы, органические кислоты и спирты, а также многие органические отходы. Последний фактор позволяет убить двух зайцев: решить энергетическую и экологическую проблемы. Так, например, Тамар Ашлаги-Амири главной целью разработок микробиологических топливных элементов его компанией называет «переработку промышленных сточных вод», а выработку при этом электричества считает «дополнительным полезным эффектом» [7]. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Попытки воплотить в жизнь

 
          Все эти научные поиски не имели бы смысла, если бы на практике так и не были испробованы.

Широкая вариация размеров микробиологических топливных ячеек позволяет использовать их для самых разных устройств. Например, в опытах Брюса Логана из университета Пенсильвании размеры топливных элементов колебались от 1,5 микролитров до нескольких литров. Первый масштабный, трехметровый опытный образец был протестирован в 2008 году на пивоварне Фостера в Ятале (Австралия) Юргом Келлером и Корнелом Раби. Полученная в результате продуктивность была весьма мала, а катод зарос пленкой из микроорганизмов. В настоящее время ученые решают выявленные проблемы.

Специалисты признают несколько факторов, препятствующих перенесению биологических генераторов электричества из лаборатории в жизнь: высокая стоимость материала электродов и все еще малый ток на выходе. Однако Брюс Логан надеется: «Научный прогресс и постоянный поиск дешевых, но эффективных материалов и конструкций приведет к коммерциализации биологических топливных элементов уже в ближайшие годы». В подтверждение его слов Тамар Ашлаги-Амири, представитель компании «Emefcy» (Израиль), заявляет, что его фирма планирует сделать свои разработки коммерческими и продаваемыми уже в 2011 году [3, 8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Органическая батарейка

 

Рассмотрим немножко подробнее работу органической батарейки.  
Колония бактерий, живущая на аноде, расщепляет углеводы до углекислого газа (СО2), протонов (Н+) и электронов. В природе в аэробных условиях бактерии используют кислород или нитраты в качестве акцепторов электронов, так что окончательным продуктом реакции становится вода. В микробиологической топливной установке условия анаэробные, поэтому бактерии вынуждены передавать электроны доступному акцептору, то есть аноду.

Далее электроны текут по электрической цепи через нагрузку к катоду. В это же время протоны из анодной камеры через катионную мембрану попадают в катодную камеру, содержащую кислород. На катоде из кислорода и протонов восстанавливается вода. По описанной схеме можно собрать «живой генератор» даже у себя дома. Возможно, он будет малоэффективен, зато даровое топливо в виде бытовых отходов для него наверняка найдется. 
К материалу анода предъявляются два требования, ограничивающие его выбор: он должен хорошо проводить, но вместе с тем не взаимодействовать с продуктами брожения и бактериями (не отравлять их). Углеродные аноды обеспечивают отличную адгезию бактерий на своей поверхности, но им не хватает электопроводности. В связи с чем Брюс Логан полагает самым многообещающим вариантом металлический сердечник в графитовой оболочке. 

Принципиально различных вариантов катода два. Первый, самый привычный - из проводящего материала, который не расходуется и выступает как катализатор. Второй гораздо интереснее – это просто кислород, содержащийся в воздухе или воде. 
Для увеличения производительности реакции с кислородом, как правило, используют платиновый катализатор. Многие ученые пытаются найти эффективный катализатор из неблагородных металлов, что уменьшило бы стоимость биоэлектричества [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Микробные ограничения

 

Основой микробных топливных установок являются живые организмы, а это накладывает определенные требования. «Чтобы бактерии оставались живыми, их необходимо периодически подкармливать, а для электрохимических реакций необходимо поддерживать влажную среду. Микробиологические топливные ячейки работают при комнатной температуре и нейтральном pH», - говорит Иоанис Иеропулос. 
Работа в теплых, комфортных условиях весьма сужает область применения биологических топливных элементов в жизни. Расширить границы пытаются российские ученые. Так сотрудники лаборатории гипертермофильных микробных сообществ ИНМИ РАН (Москва) регулярно совершают экспедиции, чаще всего на Камчатку, для поиска и изучения термофилов в природных термальных экосистемах. Термофилы – это такие микроорганизмы, которые способны активно развиваться в таких непригодных для жизни условиях, как крайне высокие температуры и скопления отравляющего угарного газа, что характерно для нефтяных месторождений, гейзеров, горячих источников вулканических зон. Многие термофилы растут анаэробно (без кислорода) и используют для дыхания разные газы, в том числе угарный, а также могут восстанавливать железо, серу и некоторые другие материалы. В лаборатории гипертермофильных микробных сообществ уже есть модельные термофильные топливные элементы, а последняя экспедиция наших ученых по поиску электрогенных микроорганизмов состоялась в сентябре 2009 года в кальдеру Узон (Камчатка). Ее результаты весьма обнадеживают.