Dünya nüfusunun 2050 yılına kadar 9,5 milyara ulaşacağı tahmin edilmektedir. Mevcut enerjimizin çoğunun fosil yakıtlardan üretildiği göz önüne alındığında bu bakteriler ile iklim değişikliğinin önüne geçerken elektrik üretimini de kolaylaşacaktır.
Son yıllarda ilgi gören bir fikir, mikrobiyal yakıt hücreleri (BYH’ler) adı verilen cihazlarda bakteri kullanarak elektrik üretmektir. Bu yakıt hücreleri, elektrik oluşturmak için elektron alışverişi yaparak, metalleri “soluyabilme” yeteneğine sahip. Bu süreç, atık suda bulunan organik materyalleri içeren substrat adı verilen maddeler kullanılarak çalıştırılabilir. Şu anda mikrobiyal yakıt hücreleri, hesap makineleri, küçük fanlar ve LED’ler gibi küçük cihazlara güç sağlamak için elektrik üretebiliyor.
Biyolojik yakıt hücresi nasıl çalışır?
Biyolojik yakıt hücreleri bir anot ve katot sistemi kullanır (bir akımı içeri veya dışarı taşayabilen elektrotlar). Yaygın biyolojik yakıt hücre sistemleri, bir anot odası ve bir membran ile ayrılmış bir katot odasından oluşur. Bakteriler anot üzerinde büyür ve substratları karbondioksite, protonlara ve elektronlara dönüştürür.
Üretilen elektronlar daha sonra bir dış devre yoluyla katot odasına aktarılırken, protonlar membrandan geçerler. Katot odasında, protonlar ve elektronlar arasındaki reaksiyon oksijeni kullanır ve su oluşturur. Ve substratlar sürekli olarak dönüştürüldüğü sürece, elektronlar akacaktır. İşte üretilecek elektrik bu sentezde ortaya çıkar.
Biyolojik yakıt hücreleri aracılığıyla elektrik üretmenin bir dizi avantajı vardır: sistemler her yerde kurulabilir; aktif çamur sistemleri gibi geleneksel atık su arıtma yöntemlerinden daha az “atık” oluştururlar; küçük ölçekli olabilirler, ancak daha büyük sistemler oluşturmak için modüler bir tasarım kullanılabilir; tuzluluğa karşı yüksek toleransları vardır ve oda sıcaklığında çalışabilirler.
Biyolojik yakıt hücrelerinde elektrik üretmek için kullanılabilecek çok çeşitli yenilenebilir alt tabakaların gereksinimleri, gelecekte elektrik üretiminde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bu tür substratlar arasında idrar, atık sudaki organik madde, canlı bitkiler tarafından toprağa salgılanan maddeler (kök sızıntıları), sülfitler gibi inorganik atıklar ve hatta gazlı kirleticiler bulunuyor.
İdrar gücü
Dışkı ve idrar gibi atık maddelerdeki biyolojik olarak parçalanabilen maddeler elektriğe dönüştürülebilir. Bu, Gana’daki bir mikrobiyal yakıt hücresi tuvaletinde gösterildi ve tuvaletlerin gelecekte potansiyel elektrik santralleri olabileceğini öne sürdü. İki yıl boyunca işletilen tuvalet, idrardaki nitrojeni giderirken ve dışkıyı kompost ederken, tuvaletin içindeki bir LED ışığına güç verecek kadar 268 nW / m² elektrik üretebildi. Şebeke elektriği olmayan yerler veya mülteci kampları için, tuvaletlerdeki atıkların elektrik üretmek için kullanılması gerçekten devrim niteliğinde olabilir.
Bitki biyolojik yakıt hücreleri
Biyolojik yakıt hücrelerinin elektrik üretmek için kullanabileceği bir başka yenilenebilir ve sürdürülebilir substrat, bitki biyolojik yakıt hücreleri adı verilen bitki kök sızıntılarıdır. Bitkiler büyüdüklerinde, bazıları kök sistemine sızan glikoz gibi karbonhidratlar üretirler. Köklerin yakınındaki mikroorganizmalar karbonhidratları protonlara, elektronlara ve karbondioksite dönüştürür.
Bir BYH (Biyolojik yakıt hücresi) fabrikasında, protonlar bir membrandan aktarılır ve elektron transfer devresini tamamlamak için oksijen ile yeniden birleştirilir. Devreye bir yük bağlayarak, üretilen elektrik kontrol edilebilir.
Tesis BYH’leri, şebekeye erişimi olmayan izole topluluklarda elektrik üretiminde devrim yaratabilir. Kasabalarda sokaklar ağaç kullanılarak aydınlatılabilir.
Mikrobiyal tuzdan yakıt hücreleri
Mikrobiyal yakıt hücrelerinin bir başka varyasyonu, mikrobiyal tuzdan yakıt hücreleridir. Bu cihazlar, örneğin atık sudan elektrik üretmek için bakteri kullanır ve aynı zamanda suyu tuzdan arındırabilirler. Tuzdan arındırılacak su, negatif (anyon) ve pozitif (katyon) yüklü iyonlardan oluşan membranlar kullanılarak MFC’lerin anot ve katot odaları arasına sıkıştırılmış bir bölmeye konur.
Anot odasındaki bakteriler atık suyu tükettiğinde protonlar açığa çıkar. Bu protonlar anyon zarından geçemez, bu nedenle negatif iyonlar tuzlu sudan anot odasına geçer. Katotta protonlar tüketilir, bu nedenle pozitif yüklü iyonlar, tuzlu sudan katot odasına geçerek orta odadaki suyun tuzunu giderir. Anot ve katot odalarında salınan iyonlar, elektrik üretiminin verimliliğini artırmaya yardımcı olur.
Konvansiyonel su tuzdan arındırma şu anda çok maliyetlidir. Elektrik üretirken (tüketmeden) büyük ölçekte tuzdan arındırma sağlayan bir süreç devrim niteliğinde olacaktır.
Doğalgaz veriminin artırılması
Mikroorganizmaların oksijene ihtiyaç duymadan biyolojik olarak parçalanabilen veya atık maddeleri parçalamak için kullanıldığı anaerobik çürütme, doğal gazın ana bileşeni olan çoğunlukla metan olan biyogaz üreterek atık sudan enerji geri kazanmak için kullanılır. Ancak bu süreç genellikle verimsizdir.
Araştırmalar, bu çürütücüler içinde kullanılan mikrobiyal grupların, türler arası elektron transferi olarak adlandırılan elektronları paylaştığını, metabolizmalarını etkilemek için pozitif enerji kullanma olasılığını ortaya çıkardığını gösteriyor. Elektrometanojenez adı verilen bir işlem olan anaerobik çürütücülere küçük bir voltaj sağlayarak metan verimi önemli ölçüde iyileştirilebilir.
Mikrobiyal yakıt hücreleri, küçük cihazlara güç sağlamak için elektrik üretebilirken, araştırmacılar, üretebilecekleri güç miktarını artırmak ve hücre dışı elektron transferinin nasıl çalıştığını daha iyi anlamak için reaktörleri büyütmenin yollarını araştırıyorlar. Robial ve Plant-e gibi birkaç yeni şirket, mikrobiyal yakıt hücrelerini ticarileştirmeye başlıyor. Gelecekte, mikrobiyal yakıt hücreleri, uzun vadeli insan uzay görevleri sırasında kendini yenileyebilen yaşam destek sistemlerinde elektrik üretmek için bile kullanılabilir. Biyolojik yakıt hücrelerinin daha ilk zamanları olmasına rağmen çok fazla vaat ettikleri gözden kaçırılmayacak düzeyde.