Παρασκευή, 9 Δεκεμβρίου 2016

Ηλεκτρισμός από μικρόβια - Η Νέα επιστημονική εξέλιξη


του Γιώργου Ευθυμίου, Διδάκτορα Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Surrey

Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από μικρόβια έχει τραβήξει το ενδιαφέρον πολλών επιστημονικών ομάδων αλλά και κυβερνητικών φορέων διεθνώς, κυρίως τα τελευταία δέκα χρόνια. Και αυτό, γιατί η μέθοδος αυτή είναι εξαιρετικά φτηνή και φιλική προς το περιβάλλον σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αφού θα μπορούσε να οδηγήσει στην αξιοποίηση αστικών, βιομηχανικών ή αγροτικών λυμάτων για την παραγωγή ηλεκτρισμού. Όμως, η απόδοση αυτών των τεχνικών είναι ακόμα αρκετά χαμηλή και συνεπώς απαιτείται περαιτέρω βελτιστοποίηση και έρευνα πρίν εφαρμοστεί σε μεγάλη κλίμακα.
Οι συσκευές μεσα στις οποίες γίνεται δυνατή η μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική με την μεσολάβηση των μικροοργανισμών ονομάζονται μικροβιακές κυψελίδες καυσίμων ή microbial fuel cells (MFCs) (δείτε την παραπάνω εικόνα). Τα MFCs είναι βίο-ηλεκτροχημικά συστήματα στα οποία μεγαλώνουν τα μικρόβια σε υγρό μέσο που μπορεί να είναι είτε καθαρό θρεπτικό υλικό καλλιέργειας που χρησιμοποιείται καθημέρινά στο εργαστήριο είτε μικρή ποσότητα αστικού ή αγροτικού λύμματος. Καθώς μεγαλώνουν, τα μικρόβια μεταβολίζουν τα σάκχαρα του θρεπτικού μέσου. Σε αερόβιες συνθήκες, δηλαδή με παρουσία οξυγόνου στο σύστημα τα προϊόντα του μεταβολισμού των σακχάρων είναι το διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Όμως, όταν η μικροβιακή καλλιέργεια μεγαλώνει σε αναερόβιες συνθήκες τότε εκτός από διοξείδιο του άνθρακα παράγονται 48 ιόντα υδρογόνου και 48 ηλεκτρόνια ανά μόριο γλυκόζης. Τα ηλεκτρόνια αυτά μπορούν να συλλεχθούν από χημικούς μεσολαβητές, όπως η θειονίνη για παράδειγμα, και να μεταφερθούν από το εσωτερικό των κυττάρων σε ηλεκτρόδια μέσα στο MFC, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα, η ενέργεια του οποίου μπορεί στη συνέχεια να
τροφοδοτήσει μικρές συσκευές ή να αποθηκευτεί.Η δομή ενός τυπικού MFC παρουσιάζεται στη διπλανή εικόνα και περιλαμβάνει ένα ηλεκτρόδιο (άνοδος) που συλλέγει τα ηλεκτρόνια που παρέχει η μικροβιακή καλλιέργεια στο αναερόβιο τμήμα και ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο (κάθοδος) στο αερόβιο τμήμα στο οποίο μεταφέρονται τα ηλεκτρόνια από την άνοδο μέσω ενός εξωτερικού ηλεκτρικού κυκλώματος. Ταυτόχρονά, τα ιόντα υδρογόνου που παράγουν τα μικρόβια μπορούν να μεταφερθούν μέσω μιας ειδικής μεμβράνης στην κάθοδο, όπου θα συναντήσουν τα ηλεκτρόνια και άτομα οξυγόνου σχηματίζοντας νερό.

https://www.scienceandtechnology.gr/wp-content/uploads/2014/03/Figure2.jpg

Μέσα στο 2013, πολλές ερευνητικές ομάδες δημοσίευσαν επιστημονικές μελέτες πάνω στη βελτίωση της λειτουργίας και της απόδοσης αυτών των συστημάτων. Παρακάτω, θα δούμε τις τρεις σημαντικότερες.
Τον Μάρτιο, ερευνητές στο University of East Anglia, στη Μεγάλη Βρετανία, δημοσίευσαν μία μελέτη πάνω στις μεμβρανικές πρωτεΐνες στο θαλάσσιο βακτήριο Shewanellaoneidensis που αναπτύσσεται στην επιφάνεια των βράχων του βυθού και ζει μεταβολίζοντας τον σίδηρο που περιέχουν. Οι επιστήμονες αποκρυπτογράφησαν τη δομή και τον μηχανισμό λειτουργίας των μεμβρανικών πρωτεϊνών που δρουν ως κανάλια για την εξαγωγή των ηλεκτρονίων από το κύτταρο στο ανοργανικό υπόστρωμα. Η κατανόηση αυτού του μηχανισμού θα επιτρέψει τον σχεδιασμό αποδοτικότερων MFCs στο προσεχές μέλλον.
Τον Σεπτέμβριο, ερευνητές στο Στάνφορντ χρησιμοποίησαν οξείδιο του αργύρου ως υλικό για την κάθοδο, το ηλεκτρόδιο που συγκεντρώνει τα ηλεκτρόνια που προέρχονται από την άνοδο. Με το σύστημα που ανέπτυξαν, το 30% της χημικής ενέργειας που προστέθηκε στο θρεπτικό με μορφή γλυκόζης μετατράπηκε σε ηλεκτρική. Η απόδοση αυτή είναι συγκρίσιμη με αυτή της μεθόδου παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από το μεθάνιο που προκύπτει έπειτα από βιοεπεξεργασία φυτικής βιομάζας, κάτι που κάνει τη μέθοδο των επιστημόνων του Στάνφορντ ένα δυνατό πιόνι στη σκακιέρα της βιοενέργειας. Όμως, το υψηλό κόστος του αργύρου ως πρώτη ύλη για την κατασκευή ηλεκτροδίων καθόδου είναι ένας περιοριστικός παράγοντας για την αναβάθμιση αυτής της μεθόδου σε μεγάλη κλίμακα.
Τέλος, τον Οκτώβριο, ερευνητές στο Arizona State University σχεδίασαν ένα πολύ έξυπνο σύστημα στο οποίο μεγάλωσαν ταυτόχρονα δύο είδη βακτηρίων που συνεργάζονται μεταξύ τους για την αποδοτικότερη παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Η επιστημονική ομάδα ρύθμισε την φωτοπερίοδο κατά τέτοιο τρόπο ώστε με το φώς του ήλιου το φωτοσυνθετικό βακτήριο Chlorobium να συνθέτει και να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες γλυκογόνου (αλυσίδες γλυκόζης), ενώ στο σκοτάδι να το μετατρέπει σε οξικό οξύ. Επίσης, στο σκοτάδι, το άλλο μικρόβιο (του γένους Geobacter) μεταβολίζει το οξικό οξύ και παράγει πληθώρα ηλεκτρονίων που μεταφέρονται στο ηλεκτρόδιο της ανόδου, δημιουργώντας ηλεκτρικό ρεύμα. 

https://www.scienceandtechnology.gr/wp-content/uploads/2014/03/Figure3.jpg

Η μέθοδος αυτή εκμεταλλεύεται τη φωτοσυνθετική ικανότητα του ενός από τα δύο είδη με την οποία πολλαπλασιάζει τη γλυκόζη που προϋπήρχε στο θρεπτικό μέσο, συνεπώς αυξάνοντας και την απόδοση παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος, αν και αυτό μένει ακόμα να αποδειχθεί. Το πρωτοποριακό αυτό σύστημα ονομάζεται μικροβιακή φωτοηλεκτροχημική κυψελίδα (microbial photoelectrochemical cell (MPC)) και φαίνεται πολλά υποσχόμενο.
Σίγουρα η τεχνολογία των MFCs έχει αρκετό δρόμο να διανύσει ακόμα πριν αρχίσει να εφαρμόζεται σε μεγάλη κλίμακα και καθημερινή βάση για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών του σύγχρονου ανθρώπου. Όμως, είναι δύσκολο να υποτιμήσει κανείς την προοπτική μιας τέτοιας καινοτόμου τεχνολογίας η οποία με σχεδόν μηδενικό κόστος μας απαλλάσει από βλαβερά απόβλητα, παράγοντας ταυτόχρονα ικανοποιητικά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας.
Γιώργος Ευθυμίου
Διδάκτωρ Βιοτεχνολογίας του Πανεπιστημίου του Surrey (Αγγλία) και επιστημονικός συνεργάτης στο Τμήμα Βιολογίας του ΕΚΠΑ.

Πηγές:
  1. White GF, Shi Z, Shi L, Wang Z, Dohnalkova AC, Marshall MJ, Fredrickson JK, Zachara JM, Butt JN, Richardson DJ, Clarke TA. (2013). Rapid electron exchange between surface-exposed bacterial cytochromes and Fe(III) minerals. Proc Natl Acad Sci U S A. 110(16):6346-51.
  2. Xing Xiea, Meng Yea, Po-Chun Hsub, Nian Liuc, Craig S. Criddlea and Yi Cuib (2013). Microbial battery for efficient energy recovery. Proc Natl Acad Sci U S A. 110 (40): 15925–15930.
  3. Badalamenti JP, Torres CI, Krajmalnik-Brown R. (2013). Coupling dark metabolism to electricity generation using photosynthetic cocultures. Biotechnol Bioeng. [Epub ahead of print]
  4. Badalamenti JP, Torres CI, Krajmalnik-Brown R. (2013). Light-responsive current generation by phototrophically enriched anode biofilms dominated by green sulfur bacteria. Biotechnol Bioeng. 110(4): 1020-7.

scienceandtechnology.gr
Blog Widget by LinkWithin
Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...