ما 254 مهمان و بدون عضو آنلاین داریم

پرینت

بیوالکتریسیته

تاریخ انتشار : . مقالات علمی

امتیاز کاربران
ضعیفعالی 

 

بیوالکتریسیته

میکروارگانیسم هایی که در دریا زندگی می کنند  می توانند در تولید تامین الکتریسیته برای تقویت تجهیزاتی از قبیل حسگرها (SENSOR) چراغهای دریایی، به کار گرفته می شوند.

میکروارگانیسم ها را می توان به عنوان سوخت سلولی به کار برد. نخستین بار در وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا به این مسئله توجه شد و مسئولان وزارتخانه تصمیم گرفتند که یک شیب طبیعی ولتاژ برق را از کف اقیانوس تامین نمایند!

میکروارگانیسم هایی که در آب دریا، یا لایه های بالایی رسوبات کف دریا زندگی می کنند، برای شکستن مواد آلی از اکسیژن استفاده و انرژی آزاد می کنند. آن دسته که در لایه های پایین تر زندگی می کنند اکسیژن در دسترس شان نیست و باید از منابع شیمیایی دیگری مثل نیتراتها و سولفاتها استفاده نمایند که این از سویی آلودگی ناشی از این ترکیبات را حذف می کند و از سوی دیگر این واکنشهای متفاوت، اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می کند که درست مثل ولتاژ بین الکترودهای مثبت و منفی یک باتری است. رایمرز و همکارانش (leonard tender)  از دانشگاه تحقیقاتی  نیروی دریایی واقع در واشنگتن دی سی تصمیم گرفتند که این سوخت سلولی را مهار نمایند و به منبعی تمام نشدنی از انرژی الکتریکی دست یابند. آنها در آزمایشگاه، از یک الکترود با شارژ منفی استفاده کردند که درعمق  10 سانتی متری رسوب دفن شد و درست بالای آن یک الکترود با شارژ مثبت قرار گرفت. وقتی الکترود ها به هم وصل شوند، 03/0 ولت انرژی در هر متر مربع تولید شد، که این مقدار انرژی، نور ضعیفی را در یک دیود ایجاد کرد. کار خستگی ناپذیر میکروب ها به این معناست که منبع تامین انرژی پایان ناپذیر است.

"  تکنولوژی تولید الکتریسیته با تیمار فاضلاب"

تنفس یکی از پدیده های حیاتی است. موجودات زنده غذا را متابولیزه می کنند و از آن انرژی بدست می آورند، در واقع آنها انرژی حاصل از اکسیداسیون مواد غذایی را بیرون می کشند. در یک سلول زنده این فرایند شامل واکنشهای آنزیماتیک و نیز پروتئین های اکسید و احیا است. این فرایند از طریق یک سری تغییرات اکسید و احیای موفق میانی صورت می گیرد و در نتیجه شبیه یک پروسه الکتروشیمیایی است : یعنی نمونه ای از " احتراق سرد".

اغلب ارگانیسم ها از اکسیژن برای تنفس خود استفاده می کنند ولی میکرو ارگانیسم ها قادرند علاوه بر اکسیژن از مواد دیگری به عنوان پذیرنده الکترون خود استفاده نمایند که از بین آنها می توان به نیترات، سولفات و    یون های فلزی اشاره نمود .

باکتری های احیا کننده فلز

باکتری های احیا کننده فلز دارای یک مسیر انتقال الکترون خاص می باشند که از یون های فلزی غیر محلول در آب (این یونها بقدری بزرگند که قادر به ورود به داخل سلول نیستند) به عنوان پذیرنده نهایی الکترون خود استفاده می کنند. بنابراین این سوال مطرح می شود که چگونه باکتری های پذیرنده الکترون، الکترون را به ملکول فلزی بزرگ در خارج از محیط سلول تحویل می دهند. علت آن است که بر خلاف سایر موجودات زنده ، پروتئین انتقال الکترون ، در خارج از غشای باکتریایی قرار گرفته است. با این سیستم ساختمانی، الکترون از سلول به یون فلزی انتقال داده می شود. با آزمایشات مختلفی اثبات شده است. که این پروتئین درغشای خارج باکتری ها (مانند1 Shewanella putrifaciens RI-) قرار گرفته است.

استفاده از باکتری های احیا کننده فلز

با وجودی که باکتری های احیا کننده فلز به میزان وسیعی در طبیعت حضور داشته اند، ولی اخیرا به آنها توجه خاص شده است. این باکتری ها  پتانسیل لازم برای به کارگیری در صنعت را دارند. در فرایند تخلیص فاضلاب ، باکتری های احیا کننده فلزات با حذف فلزات  مضر مثل منیزیم و نیز با حل کردن ترکیبات آروماتیک و کلرید های آلی ، موثرند. کاربرد موثر دیگر این باکتری ها ، تشکیل واسطه کوچکتر ساخت سلول ها میکروبی که بعدا به آن خواهیم پرداخت. با استفاده از مواد آلی سوخت زیستی (Bio fuel) یا سوخت سلول میکروبی با استفاده از واسطه های الکترو شیمیایی جریان الکتریسیته را به خارج از محیط خود انتقال می دهد. در این فرایند هر میکروارگانیسم نقش یک دینام کوچک را ایفا می کند و فاضلاب حکم منبع نیروی الکتریکی را دارد.

سوخت سلول میکروبی

برای گسترش طرح سلول سوخت میکروبی به خاطر کاربردهایش به عنوان بیوکاتالیست عمومی نیاز به یک واسطه الکترونی محلول در آب است،که در آن پروتئینهای انتقال دهنده الکترون درون سلول موجودند.این واسطه ها وارد سلول می شوند و الکترونهایی را از سیستم انتقال الکترون" می دزدند " ،سپس به  خارج سلول بر می گردند، الکترون  " دزدیده شده را به باتری انتقال داده " و خودشان (واسطه) اکسید می شوند. این واسطه های اکسید شده دوباره وارد سلول می شوند،چرخه تکرار می شود. اگر در این فرایند از باکتری های احیا کننده فلز استفاده شود چون انتقال دهنده الکترون آنها در خارج قرار گرفته است دیگر نیازی به واسطه نیز نیست.

واسطه کوچکتر سلول سوخت میکروبی

در مقایسه بین تولید سوخت سلول با رابطه مدیاتور محلول در آب و تولید سوخت سلول میکروبی با استفاده از باکتریهای احیا کننده فلز،مزیت دومی بر اولی آشکار خواهد شد. اولین مزیت، مصرف آن است. سوخت سلول میکروبی در طی پروسه الکترون تعداد الکترون کمتری از دست می دهد. زیرا از طریق سیستم انتقال الکترون – الکترود کار می کند. دوم اینکه روش دوم اقتصادی تر است. قیمت واسطه های گران قیمت برای سوخت سلولی عمومی بسیار بالا است اما سوخت سلول میکروبی با استفاده از باکتری های احیا کننده فلزنیاز به واسطه های گرانبها ندارد. مزیت سوم هم نبود آلودگی زیست محیطی است مدیاتوری که به میزان زیاد مورد استفاده قرار می گیرد ترکیب فنل است که شاخص برای آلودگی محیط زیست می باشد. سوخت سلول میکروبی با استفاده از باکتری های احیا کننده فلز این مشکل را ایجاد نمی کند .مزیت چهارم،عملکرد پایدار روش دوم است. که در این روش کثیف شدن و گرفتگی الکترودها و غشا سوخت سلولی مدت بیشتری طول می کشد.

مزیت پنجم کمیت بکارگیری های آن است. انتقال مستقیم الکترودها به باتری می تواند برای فرایند های مختلفی مورد بهره برداری قرار گیرد. اولین بار " واسطه کوچک سوخت میکروبی " در نود و هشتمین انجمن میکروبیولوژی آمریکا  ASM مطرح شد تا از مواد آلی فاضلاب به عنوان منبع انرژی استفاده شود و به این ترتیب محیط پاکسازی شده و از سویی هم تولید شود. بالاترین فشار الکتریکی که از سیستم آزمایشگاهی به دست آمد ( در حجم ml 20) حدود 6/0 ولت بوده است که این مقدار با اتصال سریالی سیستم بالاتر هم      می رود. این سوخت سلولی از لاکتات به عنوان سوخت خود استفاده می کند. این طرح با خصوصیات فیزیولوژیکی یاکتری های احیا گر فلزات مانند Shewanella putrifaciens RI-1 تناسب دارد. برای آن که این طرح صنعتی شود لازم است سویه هایی یافت شود که اختصاصیت سوبستراتی گسترده ای داشته باشند ( به طور مثال سویه هایی که قابلیت مصرف پروتئین ها و کربوهیدرات های موجود در فاضلاب را داشته باشند.) به این منظور باکتری های احیا گر فلزات با سوبسترای اختصاصی گسترده مورد مطالعه قرار گرفته اند. این سیستم، سیستم جدیدی است که از ماهیت خاص باکتری های احیا گر فلزات و شیمی بیوالکتریک استفاده می کند. نیرو الکتریکی می تواند از طریق باکتری های این مجموعه و فاضلاب حاوی انواع مواد آلی  بدست آید.

نوشتن دیدگاه


تصویر امنیتی
تصویر امنیتی جدید