Mikrobiyal Yakıt Hücreleri
advertisement
MİKROBİYAL YAKIT PİLLERİ Mikrobiyal Yakıt Hücreleri • Mikrobiyal yakıt hücreleri substratın anaerobik oksidasyonu sonucunda elde edilen elektronlar ile elektrik akımı oluşturabilen reaktörlerdir • Son zamanlarda, uzerinde en cok durulan alternatif enerji kaynağı Mikrobiyal Yakıt Hucreleri (MYH)’dir. • MYH en basit şekliyle, organik atıklarda bulunan kimyasal enerjinin mikroorganizmalar yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülmesi olarak tanımlanabilir. MİKROBİYAL YAKIT HÜCRESİNİN ÖZELLİKLERİ • Mikrobiyal yakıt hucrelerinde elektrik enerjisi uretilirken aynı zamanda atık arıtımı da yapılabilmektedir. • Atık arıtımı icin enerji harcanmamakta, aksine atık arıtımı sırasında doğrudan elektrik enerjisi uretilebilmektedir. • MYH, katot ve anot adı verilen iki bolmeden oluşan ve birbirinden proton değiştirici membran (secici gecirgen zar) ile ayrılan bir sistemdir. • Anot hucresinde bulunan elektrot yuzeyine tutunarak buyuyen mikroorganizmalar, organik maddeleri oksitleyerek elektron ve proton (hidrojen) uretirler. Mikrobiyal yakıt hücresi yapısı Anot hucresinde bulunan elektrot yuzeyine tutunarak buyuyen mikroorganizmalar, organik maddeleri oksitleyerek elektron ve proton (hidrojen) uretirler. Anot bolmesinde uretilen elektronlar, elektrot yuzeyinden bir devre ile katot bolmesine aktarılır. Hidrojen ise difuzyon ile proton değiştirici zardan gecerek katot bolmesine ulaşır ve burada oksijen (başka bir elektron alıcı da kullanılabilir) ile birleşerek suya donuşur. Kuvvetli bir elektron alıcısı olan O2’nin varlığı ve pozitif elektrik yuku oluşturan H+’lar sayesinde, anottaki elektronlar katoda doğru cekilir ki bu da hat uzerinde elektrik akımı oluşturur. Elektrik enerjisi uretebilmek icin, anot bolmesinde oksijen ve başka bir elektron alıcı bulunmamalı ve tek elektron alıcısı olarak anotun bulunması gerekmektedir. Dolayısıyla, MYH’lerde anot bolmesi tamamen anaerobik, katot bolmesi de aerobiktir. Mikrobiyal yakıt hücresi yapısı MYH Reaktör Tipleri • • • • • • İki bölmeli MYH H tipi MYH reaktorleri U borulu MYH reaktorleri Borusuz MYH reaktorleri Çökel tipi MYH reaktorleri Tek bolmeli MYH’lerdir. En yaygın olarak; iki bölmeli ve tek bölmeli MYH sistemleridir. İki bölmeli MYH reaktörleri, bir membranın ayırdığı anot ve katot bölümlerinden oluşmaktadır. • Anot bölümünde anaerobik olarak büyüyen mikroorganizmalar, kendilerine verilen organik besinleri kullanarak proton ve elektronlar açığa çıkarırlar. • Açığa çıkan elektronlar bir devre ile katot elektroda transfer edilirken, protonların katot bölümüne geçişi bir membrandan aracılığı ile olmaktadır. • Seçici geçirgen özelliğinden dolayı membran, sadece katyonların geçişine izin verirken, aynı zamanda katot bölümündeki oksijenin anaerobik bakterilerin bulunduğu anot bölümüne geçişini de engeller. • Devre yardımıyla katot bölümüne aktarılan elektronlar ve membrandan geçen protonlar burada O2’nin indirgenmesine yol açarak H2O molekülü oluşturur. • Tek bölmeli MYH sisteminin en önemli farkı, ayrı bir katot bölümü içermemesidir. MYH Performansını Etkileyen Faktörler Bakteriyel metabolizma Bakteriyel elektron transferi, Membran performansı, Elektrolitlerin iç direnci Katot-oksijen elektron transferinin etkinliğidir. MYH Sistemlerinde Elektronların Bakteriden Elektrota Taşınma Mekanizmaları Direk Elektron Transferi Direk elektron transferi, mikroorganizmaların hücre membranları ya da pili yapılarıyla, anot elektrot yüzeyi ile yapmış oldukları fiziksel temas aracılığıyla yapılan elektron taşınımıdır. Hücre membranı ile taşınım sitokrom-c proteinleri aracılığı ile olurken, pili aracılığı ile yapılan taşınım nanowire’lar aracılığıyla olmaktadır. Nanowirelar bazı bakterilerin oluşturduğu, elektrokimyasal olarak aktif olduğu kanıtlanan spesifik bir pilidir. Medyatörler Aracılığı İle Elektron Transferi • MYH sistemlerinde mikrobiyal türlerin çoğunluğunun dış yüzeyi, iletken olmayan bir lipit membrana, ve peptidoglikan tabakaya sahiptir. Bu özelliklerinden dolayı bu bakteriler, elektronlarını anot elektrota direk olarak aktaramazlar. • Bu engeli aşmak için indirgenme ve yükseltgenme gibi özelliklere sahip medyatörlere ihtiyaç duyarlar. Medyatörler, hücre içine kolayca girebilen ve burada elektron taşıma sistemlerinde görev alan elektron taşıyıcılardan elektronları alarak indirgenen taşıyıcılardır. Kimyasal ve Biyolojik Medyatörler Aracılığı İle Anot Elektrota Elektron Transferi • Kimyasal medyatörlerin hücre duvarı ve elektrot arasında elektron transferini teşvik ettiği ve MYH performansını arttırdığı rapor edilmiştir. • Kimyasal medyatörlerin aksine biyolojik medyatörler, toksik olmamaları, stabil olmaları ve kimyasal olmadıklarından ekstra maliyet gerektirmedikleri için MYH sistemlerinde kullanımları kimyasal medyatörlere göre daha çok tercih edilmektedir Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Anot ve Katot Bölmelerinin Birbirinden Ayrılmasında Kullanılan Bazı Yöntemler Membran Uygulamaları Tuz Köprüleri • Proton Değişim Membranı • Katyon Değişim Membranı • Anyon Değişim Membranı • Bipolar Membran Membransız Sistemler Tuz Köprüleri Tuz köprüleri protonların geçişi için tasarlanmış agar ve sodyum klorür tuzlarıdır. Düşük maliyet en önemli avantajları iken yüksek iç direnç en büyük dezavantajlarıdır. Membran teknolojileri ile kıyaslandığında güç çıkışları oldukça düşüktür. Bipolar Membran Bipolar membranlar iki adet monopolar membranın birlikte montajından elde edilen yapılardır. Bu nedenle monopolar membranlardan farklı olarak seçici geçirgen özellikte olup sadece pozitif ya da negatif yüklü iyonların bir taraftan diğer tarafa geçişine izin verirler Membransız Sistemler Membranlar, önceki bölümlerde belirtildiği üzere, anot ve katot bölmelerinin ayrılması için kullanılmaktadır. Bu sistemlerde katot bölmesine sağlanan oksijen anot bölmesinden gelen protonlar ve elektronlar ile birleşerek su molekülünü oluşturur. Literatürde çeşitli avantajlarından dolayı birçok çalışmada tek bölümlü (membransız) yakıt hücreleri kullanılmaktadır. Anyon değişim membranı kullanılan bir yakıt hücresinde membran hidroksit anyonlarının (ya da karbonat) transferini sağlar. Bu durumda bazı avantajlar sunmaktadır. 1) Oksijen indirgenmesi reaksiyonları asidik ortamlara kıyasla alkali ortamlarda daha kolay olurlar. 2) Alkali ortamlarda Elektro oksidasyon kinetikleri birçok substrat türü için artış gösterir. 3) Iyon transferi ile ilişkili elektro osmotik direnç sıvı yakıtın karşılıklı geçişine engel olur. Bu sayede de daha konsantre sıvı yakıtın kullanılmasını sağlar. ÖRNEK ÇALIŞMA Mikrobiyal yakıt hücresinde Shewanella putrefaciens tarafından organik atıklardan elektrik üretimi Bu çalışmada, iki hazneli MYH ve saf kültür Shewanella putrefaciens kullanılmıştır. Bu saf kültür bakterisinin seçilmesindeki amaç, dış membran enzimlerini doğal olarak kullanma yeteneğinde olduğundan elektronlarını iletken bir anota verme kabiliyetine sahip olmasıdır. Böylece bakteri tarafından üretilen elektronları anot elektroduna iletecek dışarıdan kimyasal bir medyatör kullanma gerekliliği ortadan kalkmıştır. Bu çalışmada, MYH’de farklı organik maddelerden ve farklı miktarlarda çoğaltılan saf kültür S. putrefaciens kullanılarak açık devre voltajları ölçülmüştür. 10 mM glikoz kullanılarak 1250 mL besi maddesi içinde çoğaltılan saf kültürün santrifüjünden elde edilen devre voltajı 832 mV iken, 2500 mL saf kültür için 777 mV, 800 mL saf kültür için ise 810 mV olarak ölçülmüştür.10 mM etanol kullanılarak 1250 mL saf kültürden 670 mV, 10 mM propiyonik asit kullanılarak 1250 mL saf kültür için ise açık devre voltajı 803mV bulunmuştur. Besi maddesi olarak 10 mM glikoz kullanıldığında 5000 Ω dış direnç ile çalıştırıldığında amper değeri 4 µA ölçülmüştür. Güç yoğunluğu olarak 0.8 mA/m2 bulunmuştur . Çalışmada kullanılan deney sistemi SONUÇ Teknolojinin gelişmesi ve insan popülasyonunun artışı beraberinde enerji ihtiyacını da arttırmıştır. Fosil yakıtların tükenmelerinin yanı sıra yaşadığımız çevreye vermiş olduğu zararlar da bilinmektedir . Bundan dolayı, çevre dostu ve sürdürülebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç artmıştır. Daha yüksek güç çıkışının elde edilmesi için çevre dostu ve sürdürülebilir bir enerji kaynağı olan MYH sistemleri üzerinde günümüzde yapılan araştırmalar giderek artmaktadır. MYH sistemlerinde önemli etmenlerden biri, verimli bir güç çıkışının elde edilmesi için bakterilerin üretmiş olduğu elektronların etkin bir biçimde anot elektrot yüzeyine aktarılmasıdır. Önümüzdeki dönemde özellikle bakteri üzerinde yapılacak moleküler ve genetik çalışmaların, bakterinin elektron taşımasında rol oynayan gen bölgelerinin belirlenmesi üzerine yoğunlaşması ile, gerek daha etkin bir elektron taşınımının gerçekleştirilmesi, gerekse bakteriye uygun çevre koşullarının yaratılması, üretilen enerji verimini de arttıracaktır.
