Hur växt-mikrobiella bränsleceller fungerar

Om växt-mikrobiella bränsleceller fångar kan risväxter som dessa betyda såväl energi som mat. Vill du lära dig mer? Kolla in dessa alternativa bränslefordonsbilder. Creative Commons / midorisyu (under CC BY 2.0-licens)

Direkt eller indirekt är nästan allt liv på jorden solenergi.

Växter omvandlar solljus till organiska föreningar som, när de konsumeras av annat liv, överför solens energi till resten av matväven. Som människor får vi tillgång till denna lagrade energi genom matsmältning och genom att bränna råa eller bearbetade växter. Petroleum är bara långa döda organiska ämnen transformerade av geologiska krafter, och första generationens biobränslen hämtas upp från majs, sockerrör och vegetabilisk olja [källa: The New York Times].

Tyvärr är petroleum lika packat med miljö- och säkerhetsproblem som energi, och första generationens biobränslen - som förfinas genom att bränna andra bränslen - kommer inte under kortneutralitet. Det är värre, eftersom globala livsmedelsgrödor bokstavligen tappar mark för biobränsleproduktion, ökar matbrist, livsmedelspriser, hunger och politisk instabilitet [källa: The New York Times].

Men tänk om det fanns ett sätt att få vårt ris och bränna det också? Tänk om vi kunde hämta energi från grödor utan att döda dem, eller generera kraft med växter och mark som inte behövs för mat, allt genom mikrobernas kraft? Det är idén bakom växt-mikrobiella bränsleceller (PMFCs).

När det gäller att få livet att fungera, kan växter få all bra press, men det är den mycket malignade mikroben som håller ihop livsmedelskedjan. Specifikt hjälper cyanobakterier att bilda sin bas; tarmmikrober hjälper oss att smälta mat från det; och jordbakterier förvandlar det resulterande avfallet till näringsämnen som växter kan använda.

I årtionden har forskare grävt efter möjliga sätt att dra kraft från denna mikrobiella metabolism. På 1970-talet började deras insatser bära frukt i form av mikrobiella bränsleceller (MFC) - enheter som genererar elektricitet direkt från en kemisk reaktion katalyserad av mikrober [källa: Rabaey och Verstraete]. MFC: er erbjuder förnybara, lågeffektalternativ för övervakning av föroreningar, rengöring och avsaltning av vatten och för fjärrsensorer och instrument.

Det finns naturligtvis en fångst: MFC: er fungerar bara så länge de har något att nosh på - vanligtvis organiskt material i avloppsvattnet [källor: Deng, Chen och Zhao; ONR]. Forskare insåg att de kunde leverera det avfallet - en oändlig, solenergidriven buffé av det - direkt till jordmikrober från själva växterna, och fröet från en idé planterades.

År 2008 publicerade forskare artiklar som tillkännagav den första av dessa växtdrivna MFC: er, och potentialen blev allt tydligare [källor: Deng, Chen och Zhao; De Schamphelaire et al .; Strik et al.]. Genom att använda denna skalbara teknik kan byar och gårdar i utvecklingsländer bli självförsörjande, medan industriländer kan minska sina växthusavtryck genom att dra kraft från våtmarker, växthus eller bioraffinaderier [källor: Doty; PlantPower].

Kort sagt är PMFC: er en nyare, grönare snurr på "kraftverk" - kanske.

Innehåll

1. Det finns ingen plats som ler
2. PMFC: alla våta eller enastående inom sitt område?
3. Från Petroleum till Plowshares

Jord, som det visar sig, är fullt av outnyttjad (elektrisk) potential.

När gröna växter verkar med fotosyntes - omvandla energi från solljus till kemisk energi och sedan lagra det i socker som glukos - utstrålar de avfallsprodukter genom sina rötter till ett jordlager känt som rhizosfären. Där tappar bakterier ner växternas avtagna celler, tillsammans med proteiner och socker som frigörs av deras rötter [källa: Ingham].

I PMFC-termer innebär detta att så länge anläggningen lever har bakterierna en måltidsbiljett och bränslecellen genererar kraft. Termodynamikens första lag, som vissa översätter som "det finns inget sådant som en gratis lunch", gäller fortfarande eftersom systemet får energi från en extern källa, nämligen solen.

Men hur på jorden, eller under den, producerar mikrober elektricitet helt enkelt genom att konsumera och metabolisera mat? Liksom med kärlek eller bakning handlar det om kemi.

I stort sett fungerar MFC: er genom att separera två halvor av en elektro-biokemisk process (ämnesomsättning) och koppla dem i en elektrisk krets. För att förstå hur, låt oss titta på cellmetabolismen i detalj.

I följande läxboksexempel reagerar glukos och syre för att producera koldioxid och vatten [källor: Bennetto; Rabaey och Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6o₂ → 6C_O2 + 6H₂O

Men inom enskilda celler - eller enscelliga organismer som bakterier - glansar detta breda uttalande över en serie mellansteg. Vissa av dessa steg släpper tillfälligt elektroner som, som vi alla vet, är praktiska för elproduktion. I stället för att glukos och syre reagerar för att producera koldioxid och vatten, producerar här glukos och vatten koldioxid, protoner (positivt laddade vätejoner (H)⁺)) och elektroner (e^-) [källor: Bennetto; Rabaey och Verstraete].

C₆H₁₂O₆ + 6H₂O → 6CO₂ + 24H⁺ + 24e^-

I en PMFC definierar denna hälften av processen hälften av bränslecellen. Denna del är belägen i rhizosphere med växterötterna, avfallet och bakterier. Den andra hälften av cellen ligger i syrgasrikt vatten på motsatt sida av ett permeabelt membran. I en naturlig miljö bildas detta membran av mark-vattengränsen [källor: Bennetto; Rabaey och Verstraete; Deng, Chen och Zhao].

Under den andra halvan av cellen kombineras fria protoner och elektroner med syre för att producera vatten, som så:

6o₂ + 24H⁺ + 24e^- → 12H₂O

Protoner når denna andra hälften genom att strömma över jonbytarmembranet, vilket skapar en nettopositiv laddning - och en elektrisk potential som får elektroner att strömma längs den externa anslutningstråden. Voila! Elektrisk ström [källor: Bennetto; Rabaey och Verstraete; Deng, Chen och Zhao].

Men hur mycket?

Rota ut potentiella problem

Att fastställa PMFC: s miljöpåverkan kommer att kräva ytterligare forskning om en mängd områden, inklusive hur elektroder påverkar rotmiljön. De kan potentiellt minska tillgången på näringsämnen, till exempel, eller minska en växts förmåga att bekämpa infektion [källa: Deng, Chen och Zhao].

Eftersom de fungerar bäst i några av våra mest skyddade länder - våtmarker och grödor - kan PMFC: er stå inför en brant miljögodkännandeprocess. Å andra sidan kan avloppsvatten MFC oxidera ammonium och minska nitrater, så det är möjligt att växtbaserade MFC: er kan balansera risken genom att skydda våtmarker från avfall från jordbruket [källor: Deng, Chen och Zhao; Mjölnare; Tweed].

Från och med 2012 producerar PMFC inte mycket energi och fungerar bara i vattenmiljöer, med växter som vassmannagrass (Glyceria maxima), ris, vanlig sladdgräs (Spartina anglica) och jättevass (Arundo donax) [källor: Deng, Chen och Zhao; PlantPower]. Om du sprang över ett fält av PMFC, som taklappen vid Nederländska institutet för ekologi i Wageningen, skulle du aldrig veta att det var något mer än en samling av växter, med undantag för den färgglada ledningen som släpper ut från jorden [källa: williams].

Fortfarande fortsätter deras potentiella tillämpningar för att hantera andra globala hållbarhetsproblem, inklusive den belastning som biobränslen placerar på ett redan överbelastat globalt matförsörjningssystem, att inspirera forskare och åtminstone ett utforskande företag, 5,23 miljoner euro-projektet PlantPower [källor: Deng , Chen och Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Eftersom PMFC: er redan arbetar med vattenväxter, behöver jordbrukare och byar inte dumpa sina vattenbaserade risgrödor för att genomföra dem. I större skala skulle samhällen kunna inrätta PMFC i våtmarker eller områden med dålig jordkvalitet och undvika landkonkurrens mellan energi och livsmedelsproduktion [källa: Strik et al.]. Tillverkade inställningar som växthus kan producera energi under hela året, men jordbruksmarkens elproduktion beror på tillväxtperioden [källa: PlantPower].

Att producera mer energi lokalt kan minska koldioxidutsläppen genom att minska efterfrågan på bränslefrakt - i sig själv en viktig bidragsgivare för växthusgaser. Men det finns en fångst, och det är en ganska betydande: Även om PMFC: er blir så effektiva som möjligt, står de fortfarande inför en flaskhals - den fotosyntetiska effektiviteten och avfallsproduktionen i själva anläggningen.

Växter är förvånansvärt ineffektiva när det gäller att förvandla solenergi till biomassa. Denna konverteringsgräns kommer delvis från kvantfaktorer som påverkar fotosyntesen och dels av det faktum att kloroplaster endast absorberar ljus i 400-700 nanometerbandet, vilket står för cirka 45 procent av inkommande solstrålning [källa: Miyamoto].

De två vanligaste typerna av fotosyntetiserande växter på jorden är kända som C3 och C4, så kallade på grund av antalet kolatomer i de första molekylerna de bildar under CO₂ uppdelning [källor: Seegren, Cowcer och Romeo; SERC]. Den teoretiska omvandlingsgränsen för C3-växter, som utgör 95 procent av växterna på jorden, inklusive träd, toppar på bara 4,6 procent, medan C4-växter som sockerrör och majs klättrar närmare 6 procent. I praktiken uppnår emellertid var och en av dessa växttyper bara 70 procent av dessa värden [källor: Deng, Chen och Zhao; Miyamoto; SERC].

Med PMFC: er, som med alla maskiner, går en del energi bort i att driva arbetena - eller, i detta fall, i att odla anläggningen. Av den biomassa som byggts av fotosyntesen når bara 20 procent rizosfären, och endast 30 procent av det blir tillgängligt för mikrober som mat [källa: Deng, Chen och Zhao].

PMFC: er återvinner cirka 9 procent av energin från den resulterande mikrobiella ämnesomsättningen som elektricitet. Sammantaget uppgår det till en PMFC-sol-till-elektrisk omvandlingsfrekvens som närmar sig 0,017 procent för C3-anläggningar ((70 procent av 4,6 procents omvandlingsfrekvens) x 20 procent x 30 procent x 9 procent) och 0,022 procent för C4-anläggningar (0,70 x 6,0 x 0,20 x 0,30 x 0,09) [källor: Deng, Chen och Zhao; Miyamoto; SERC].

Faktum är att vissa forskare tror att dessa antaganden kan underskatta potentialen för PMFC: er, vilket bara kan vara goda nyheter för konsumenterna.

Det är hydromatiskt

Intresset för bränsleceller, som gör det möjligt för bilar att täcka mer mil än batterikraft ensam och lättare kan implementeras i stora fordon, fortsatte att växa från och med november 2012 [källa: Ko]. Men medan vätebränsle kan verka grönt, kräver dess produktion massor av elektricitet, vilket gör det till allt annat än koldioxidneutralt [källa: Wüst]. PMFC, som naturligtvis producerar vätgas, kan ge hopp om verklig grön bränsleproduktion.

Du tittar på två olika mönster för PMFC, som båda placerades på taket i Wageningen, Nederländerna. Bild med tillstånd Marjolein Helder / Plant-e

Som alla nya teknik står PMFC: er inför ett antal utmaningar; till exempel behöver de ett underlag som samtidigt gynnar växttillväxt och energiöverföring - två mål som ibland är i ostrid. Skillnader i pH mellan de två cellhalvorna, till exempel, kan leda till förlust av elektrisk potential, eftersom joner "kort" över membranet för att uppnå kemisk balans [källa: Helder et al.].

Om ingenjörer kan träna ut kneparna kan PMFC: er dock inneha både stor och varierad potential. Allt beror på hur mycket energi de kan producera. Enligt en uppskattning 2008 kommer det magiska antalet in på cirka 21 gigajoules (5 800 kilowattimmar) per hektar (2,5 tunnland) varje år [källa: Strik et al.]. Nyare forskning har uppskattat att antalet kan gå till höga 1 000 gigajoules per hektar [källa: Strik et al.]. Några fler fakta för perspektiv [källor: BP; Europeiska kommissionen]:

• En fat olja innehåller cirka 6 gigajoules kemisk energi.
• I Europa finns 13,7 miljoner jordbrukare, med varje jordbruk i genomsnitt 12 hektar (29,6 tunnland).
• Som jämförelse har Amerika 2 miljoner jordbrukare i genomsnitt 180 hektar (444,6 tunnland) vardera.

Baserat på dessa siffror, om 1 procent av amerikanska och europeiska jordbruksmark skulle omvandlas till PMFC skulle de ge en uppskattning av kuvertet på 34,5 miljoner gigajoules (9,58 miljarder kilowattimmar) årligen för Europa och 75,6 miljoner gigajoules (20,9 miljarder kilowattimmar) årligen för Amerika.

Som jämförelse konsumerade de 27 EU-länderna 2010 1 759 miljoner ton oljeekvivalent (TOE) i energi, eller 74,2 miljarder gigajoules (20,5 biljoner kilowattimmar). TOE är en standardiserad enhet för internationell jämförelse, lika med energin i ett ton petroleum [källor: Europeiska kommissionen; Universcience].

I det förenklade scenariot ger PMFC: er en droppe i en mycket stor energipink, men det är ett föroreningsfritt droppe och ett droppe som genereras från frodiga landskap istället för rökkraftverk eller fågelskrävande vindparker.

Dessutom är det bara början. Forskare arbetar redan med effektivare avfallssnabbande bakterier och mellan 2008 och 2012 har framstegen inom substratkemi mer än fördubblat den elektriska produktionen i vissa PMFC. PlantPower hävdar att PMFC: er, efter att ha fullbordats, kan ge så mycket som 20 procent av Europas primär energi -- det vill säga energi som härrör från otransformerade naturresurser [källa: Øvergaard; PlantPower].

PMFC måste bli billigare och effektivare innan de kan njuta av ett brett genomförande, men framsteg pågår. Redan sparar många MFC: er pengar genom att tillverka elektroder från mycket ledande kolduk snarare än ädelmetaller eller dyr grafitfilt [källor: Deng, Chen och Zhao; Tweed]. Från och med 2012 kostade det $ 70 att driva en installation på en kubikmeter under laboratorieförhållanden.

Vem vet det när man överväger deras potential för att ta bort föroreningar och minska växthusgaser. PMFC kan samla tillräckligt investerare och regeringens intresse för att bli framtidens kraftverk - eller plantera fröet för en ännu bättre idé [källa: Deng, Chen och Zhao].

Författare Obs: Hur växt-mikrobiella bränsleceller fungerar

Om du tänker på det, att bygga ett batteri som kan ta slut på bakteriella matsmältningsprocesser ger oss ett steg närmare cyborgs och självdrivna maskiner. Människokroppen förlitar sig på tarmbakterier för att omvandla mat till energi; om vi kunde utnyttja denna process för att saftbränsleceller kan vi också driva kroppsliga implantat, till exempel pacemaker.

Forskare vid Harvard Medical School och Massachusetts Institute of Technology har redan suddig denna linje och konstruerat ett hjärnchip som drivs av glukos, som det skördar från recirkulerad cerebrospinalvätska [källa: Rapoport, Kedzierski och Sarpeshkar]. Kan cyberbrains vara långt efter? (Tja, ja, förmodligen).

Föreställ dig: Vi kunde bygga maskiner som betar! OK, det låter kanske inte så sexigt som strålpistoler och raketfartyg, men sådana maskiner kan förbli aktiva i fältet på obestämd tid utan behov av laddning eller nya batterier. En samling av MFC: er kan bilda en provisorisk tarm, och drar el från växtglukos.

Om någon fortsätter med denna idé hoppas jag att de kommer att anställa PMFC. Jag ser för mig flockar av vita keramiska robotar som täcks in Salvia hispanica, och jag ställer frågan:

Drömmer androider om elektriska Chia Pets?

relaterade artiklar

• Kan min kropp generera kraft efter att jag dör?
• Hur bränsleceller fungerar
• Hur jordlampor fungerar
• Vad är ett ölbatteri?

källor

• Bennetto, H.P. "Elproduktion med mikroorganismer." Bioteknikutbildning. Vol. 1, nej. 4. Sida 163. 1990. (10 jan. 2013) http://www.ncbe.reading.ac.uk/ncbe/protocols/PRACBIOTECH/PDF/bennetto.pdf
• Brittisk bensin. "Gigajoule." Ordlista. (10 jan. 2013) http://www.bp.com/glossaryitemlinks.do?contentId=7066767&alphabetId=7&categoryId=9036141
• Deng, Huan, Zheng Chen och Feng Zhao. "Energi från växter och mikroorganismer: framsteg i växt-mikrobiella bränsleceller." ChemSusChem. Vol. 5, nr. 6. Sida 1006. Juni 2012. (10 jan. 2013) http://www.researchgate.net/publication/51871942_Energy_from_Plants_and_Microorganisms_Progress_in_Plant-Microbial_Fuel_Cells/file/9fcfd4fe35d29c822c.pdf
• De Schamphelaire, Liesje et al. Mikrobiella bränsleceller som genererar elektricitet från Rhizodeposits av risväxter. Miljövetenskap och teknik. Vol. 42, nr. 8. Sida 3053. Mars 2008.
• Dillow, Clay. "Mikrobiell bränslecell rengör avloppsvatten, avsaltar havsvatten och genererar kraft." Populär vetenskap. 6 augusti 2009. (10 jan. 2013) http://www.popsci.com/scitech/article/2009-08/microbial-fuel-cell-cleans-wastewater-desalinates-seawater-and-generates-power
• Doty, Cate. "För Afrika" Energi från smuts. "" The New York Times. 10 november 2008. http://www.nytimes.com/2008/11/11/giving/11AFRICA.html?_r=0
• Europeiska kommissionen. "Den gemensamma jordbrukspolitiken (CAP) och jordbruket i Europa - vanliga frågor." 11 juni 2012. (10 jan. 2013) http://ec.europa.eu/agriculture/faq/index_en.htm
• Europeiska kommissionen. "Förbrukning av energi." (10 jan. 2013) http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php/Consumption_of_energy
• Helder, Marjolein. "Designkriterier för den växt-mikrobiella bränslecellen." Examensarbete, Wageningen University. Försvarade 23 november 2012.
• Helder, Marjolein och Nanda Schrama. Personlig korrespondens. Januari 2013.
• Helder, M. et al. "Nytt växttillväxtmedium för ökad effektutgång för den växt-mikrobiella bränslecellen." Bioresource Technology. Vol. 104. Sida 417. Januari 2012.
• Hortert, Daniel, et al. "Bakgrund." NASA Goddard Space Flight Center Education Hemsida. (10 jan. 2013) http://education.gsfc.nasa.gov/experimental/all98invProject.Site/Pages/trl/inv2-1.abstract.html
• Ingham, Elaine. "Soil Food Web." Naturresursskyddstjänst. (10 jan. 2013) http://soils.usda.gov/sqi/concepts/soil_biology/soil_food_web.html
• Ko, Vanessa. "Vätebränslecellbilar ser ut för att ta över elektriska bilar." CNN. 26 november 2012. (10 jan. 2013) http://edition.cnn.com/2012/11/25/business/eco-hydrogen-fuel-cell-cars/index.html
• LaMonica, Martin. "Hybrid solceller träffar hög effektivitet." MIT Technology Review. 5 september 2012. (10 jan. 2013) http://www.technologyreview.com/view/429099/hybrid-solar-cell-hits-high-efficiency/
• Miller, Brian. "Våtmarker och vattenkvalitet." Purdue University. (10 jan. 2013) http://www.extension.purdue.edu/extmedia/WQ/WQ-10.html
• Miyamoto, Kazuhisa, red. "Förnybara biologiska system för alternativ produktion av hållbar energi." FN: s livsmedels- och jordbruksorganisation. 1997. (10 jan. 2013) http://www.fao.org/docrep/W7241E/W7241E00.htm
• The New York Times. "Biobränslen." 17 juni 2011. (10 jan. 2013) http://topics.nytimes.com/top/news/business/energy-en omgeving/biofuels/index.html
• Office of Naval Research. "Mikrobiella bränsleceller." (10 jan. 2013) http://www.onr.navy.mil/sv/Media-Center/Fact-Sheets/Microbial-Fuel-Cell.aspx
• Øvergaard, Sara. "Emissionsdokument: definition av primär och sekundär energi." September 2008. (10 jan. 2013) http://unstats.un.org/unsd/envaccounting/londongroup/meeting13/LG13_12a.pdf
• The Oxford Dictionary of Science. Alan Isaacs, John Daintith och Elizabeth Martin, red. Oxford University Press, 2003.
• PlantPower. "Levande växter i mikrobiella bränsleceller för ren, förnybar, hållbar, effektiv bioenergiproduktion i situationen." 2012. (10 jan. 2013) http://www.plantpower.eu/
• Rabaey, Korneel och Willy Verstraete. "Mikrobiella bränsleceller: ny bioteknik för energiproduktion." TRENDER inom bioteknik. Vol.23, nr.6. Sida 291. juni 2005. (10 jan. 2013) http://web.mit.edu/pweigele/www/SoBEI/Info_files/Rabaey%202005%20Trends%20Biotechnol.pdf
• Seegren, Phil, Brendan Cowcer och Christopher Romeo. "Jämförande analys av RuBisCo-uttryck och proteinnivåer i C3- och C4-växter." (10 jan. 2013) http://csmbio.csm.jmu.edu/bioweb/bio480/fall2011/winning/Rubiscoooo/Intro.htm
• Smithsonian Environmental Research Center (SERC). "C3- och C4-växter." (10 jan. 2013) http://www.serc.si.edu/labs/co2/c3_c4_plants.aspx
• Strik, David P.B.T.B., et al. "Mikrobiella solceller: Tillämpa fotosyntetiska och elektrokemiskt aktiva organismer. Trender inom bioteknik." Vol. 29, nr. 1. Sida 41. januari 2011.
• Strik, David P.B.T.B., et al. "Grön elproduktion med levande växter och bakterier i en bränslecell." International Journal of Energy Research. Vol. 32, nr. 9. Sida 870. juli 2008. (10 jan. 2013) http://www.microbialfuelcell.org/publications/wur/strik_et%20al_2008.pdf
• Tenenbaum, David. "Mat kontra bränsle: Omväxling av grödor kan orsaka mer hunger. Miljöperspektiv." Vol. 116, nr. 6. Sida A254. Juni 2008. (10 jan. 2013) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430252/pdf/ehp0116-a00254.pdf
• Tweed, Katherine. "Bränsleceller behandlar avloppsvatten och skördar energi." Scientific American. 16 juli 2012. (10 jan. 2013) http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=microbial-fuel-cell-treats-wastewater-harvests-energy
• Universcience. "Ton of Oil Equivalent (TOE)." Ordlista. (10 jan. 2013) http://www.universcience.fr/sv/lexique/definition/c/1248117918831/-/p/1239026795199/lang/an
• Williams, Caroline. "Odla din egen el." Ny forskare. 16 februari 2012.
• Wüst, Christian. "BMW: s väte 7: inte så grönt som det verkar." Der Spiegel. 17 november 2006. (10 jan. 2013) http://www.spiegel.de/international/spiegel/bmw-s-hydrogen-7-not-as-green-as-it-seems-a-448648 .html