Mikrobiální palivový článek (zkratka MFC, z anglického microbial fuel cell) je bioelektrochemický palivový článek, který vyrábí elektřinu z chemické energie organické hmoty s využitím bakterií.
MFC lze rozdělit do dvou základních skupin: mediátorové a bezmediátorové. První MFC, prezentované na počátku 20. století, používaly mediátor: chemikálii, která přenáší elektrony z bakterií v článku na anodu. Bezmediátorové MFC se objevily v 70. letech; využívají bakterie, které na své vnější membráně mají elektrochemicky aktivní redoxní proteiny, jako jsou cytochromy, které mohou přenášet elektrony přímo na anodu. V 21. století MFC začaly nacházet komerční uplatnění při čištění odpadních vod.
Historie Myšlenka využití mikroorganismů k výrobě elektřiny vznikla na počátku 20. století. Michael Cressé Potter se tomuto tématu věnoval od roku 1911. Podařilo se mu vyrobit elektřinu pomocí Saccharomyces cerevisiae, ale práce vyvolala jen malý zájem. V roce 1931 Barnett Cohen vytvořil mikrobiální články, které po zapojení do série byly schopny dávat napětí přes 35 V a proud asi 2 mA.
DelDuca et al. používali fermentaci glukózy pomocí Clostridium butyricum jako zdroj vodíku v anodové komoře MFC. Přestože článek fungoval, byl nespolehlivý kvůli nestabilní povaze produkce vodíku mikroorganismy. Tento problém vyřešil tým prof. Suzukiho v roce 1976 a o rok později vytvořili funkční prototyp
Na konci 70. let bylo o fungování mikrobiálních palivových článků známo málo. Koncept studovali Robin M. Allen a později od počátku 80. let H. Peter Bennetto. Jeho práce pomohla pochopit, jak mikrobiální palivové články fungují. MFC byly vnímány jako možný způsob výroby obnovitelné elektřiny pro rozvojové země.
V květnu 2007 vytvořila University of Queensland v Austrálii ve spolupráci s pivovarem Foster's Brewing prototyp MFC o objemu 10 litrů, který přeměňoval odpadní vodu z pivovaru na oxid uhličitý, čistou vodu a elektřinu. V plánu bylo vytvořit větší model pro nadcházející mezinárodní konferenci o bioenergii.
Definice Mikrobiální palivový článek je zařízení, které přeměňuje chemickou energii na elektrickou energii působením mikroorganismů. Články používají buď bioanodu a/nebo biokatodu. Většina MFC obsahuje membránu, která odděluje anodu (kde dochází k oxidaci) a katodu (kde dochází k redukci). Elektrony uvolňované při oxidaci jsou přenášeny na anodu buď přímo nebo pomocí redoxního mediátoru. Elektrony proudí ke katodě vnějším elektrickým obvodem. Rovnováha náboje je udržována pohybem iontů uvnitř článku, obvykle přes iontově propustnou membránu. Většina MFC používá organický donor elektronů, který je oxidován za vzniku CO2, protonů a elektronů, bylo však experimentováno i se sloučeninami síry nebo vodíkem. Jako akceptor elektronů na katodě je využíván nejčastěji kyslík (O2). Mezi další studované akceptory elektronů patří redukce oxidů kovů, redukce vody na vodík, redukce dusičnanů, a redukce síranů.
Konstrukční typy mikrobiálních palivových článků
Mediátorový MFC Bakteriální buňky jsou většinou elektrochemicky neaktivní. Přenos elektronů z bakterií na elektrodu zprostředkovávají mediátory, například thionin, pyocyanin, methyl viologen, methylová modř, huminová kyselina nebo neutrální červeň. Dostupné mediátory jsou většinou drahé a toxické.
Bezmediátorový MFC vlevo|náhled|242x242pixelů| Rostlinný mikrobiální palivový článek (PMFC - plant MFC) Bezmediátorové mikrobiální palivové články využívají elektrochemicky aktivní druhy bakterií, například Shewanella putrefaciens nebo Aeromonas hydrophila, které mohou přenášet elektrony přímo z bakteriálního respiračního enzymu na elektrodu. Některé bakterie jsou schopny přenést uvolněné elektrony přes pilus na svou vnější membránu. Charakteristiky bezmediátorových MFC nejsou jasně specifikovány (použité kmeny bakterií, typ iontoměničové membrány, teplota, pH atd.)
Bezmediátorové MFC mohou využívat odpadní vodu a získávat energii přímo z určitých rostlin a O2. Tato konfigurace je označována jako rostlinný mikrobiální palivový článek (PMFC – plant microbial fuel cell). Mezi vhodné rostliny patří zblochan vodní, spartina, rýže, rajčata, lupiny a řasy. Vzhledem k tomu, že energie je získávána pomocí živých rostlin (in situ), může být tato varianta ekologicky výhodnější.
Mikrobiální elektrolýza Mikrobiální elektrolýza (MEC) je v podstatě inverzní variantou bezmediátorového MFC. Přivedením vnějšího napětí se proces částečně obrátí a bakterie produkují vodík nebo metan. Úplné obrácení principu MFC je využito v mikrobiální elektrosyntéze, ve které je oxid uhličitý redukován bakteriemi pomocí vnějšího elektrického proudu za vzniku víceuhlíkových organických sloučenin.
Článek na bázi zeminy vpravo|náhled|259x259pixelů| Půdní MFC Mikrobiální palivové články na bázi zeminy (bahna) jsou v principu základní MFC, přičemž půda představuje jak anodové médium bohaté na živiny a vhodné mikroorganismy, tak protonově vodivou membránu (PEM). Anoda je umístěna v půdě v určité hloubce pod povrchem, katoda leží na povrchu půdy a je v kontaktu se vzduchem.
Zeminy přirozeně obsahují různé bakterie, včetně elektrogenních bakterií potřebných pro MFC, a komplexní cukry a další živiny, které pocházejí z rozkladu rostlinného a živočišného materiálu. Navíc aerobní (kyslík spotřebovávající) bakterie přítomné v půdě působí jako kyslíkový filtr (podobně jako drahé PEM materiály používané v laboratorních MFC systémech). Redoxní potenciál půdy proto s hloubkou klesá. Pro svou jednoduchost jsou půdní MFC vhodné pro školní experimenty.
Pro čištění odpadních vod byly použity sedimentové MFC (SMFC). Jednoduché SMFC mohou generovat energii při dekontaminaci odpadních vod. Většina takových SMFC obsahuje rostliny, čímž napodobují umělé mokřady.
Fototrofní biofilm Fototrofní biofilmové MFC (PBMFC) používají anodu tvořenou fototrofním biofilmem, který obsahuje fotosyntetizující mikroorganismy, jako jsou řasy a sinice. Ty pomocí fotosyntézy tvoří organické metabolity a uvolňují elektrony.
Podle studie z roku 2011 dosahují PBMFC měrný výkon postačující pro praktické aplikace.
Typy membrán Protonově propustná membrána (PEM – proton exchange membrane) je důležitou součástí MFC, odděluje anodový prostor s bakteriemi a živinami od katodového prostoru, umožňuje prostup protonů z anodové komory do katodové, ale brání prostupu kyslíku do anoxického prostředí anodové komory.
Nafion Klasickým PEM materiálem používaným pro membrány MFC je Nafion. Je však drahý a má nedostatky z environmentálního hlediska i z hlediska funkčnosti a životaschopnosti. Proto se hledají náhrady. Nadějné jsou například sulfonované aromatické uhlovodíky, zkoumány jsou i membrány na bázi polyvinylalkoholu, iontových kapalin a přírodních materiálů.
Nanoporézní membrána Námořní výzkumná laboratoř Spojených států vyvinula mikrobiální palivové články s nanoporézní membránou (nano-PEM), které využívají pasivní difúzi protonů uvnitř článku. Membrána je nanoporézní polymerní filtr (nylon, celulóza nebo polykarbonát). Oproti klasickému Nafionu má některé výhody, zejména větší odolnost a nižší cenu.
Keramická membrána PEM membrány lze nahradit keramickými materiály. Jejich hlavní výhodou je velmi nízká cena. Makroporézní struktura keramických membrán umožňuje dobrý transport iontových látek. Jako materiál membrány byly zkoušeny: kamenina, oxid hlinitý, mullit, pyrofylit a terakota.
Proces produkce elektřiny Když mikroorganismy metabolizují živiny (například cukr) v anaerobních podmínkách, mohou uvolňovat oxid uhličitý, hydrony (vodíkové kationty) a elektrony. Např. pro glukózu: Mediátorové mikrobiální palivové články využívají anorganické mediátory k napojení na dýchací řetězec buněk a odvedení elektronů. Mediátor prochází přes vnější buněčné lipidové membrány a bakteriální vnější membránu; pak začne zachycovat elektrony z dýchacího řetězce, které by normálně byly zachyceny kyslíkem nebo jinými meziprodukty.
Redukovaný mediátor opouští buňku se zachycenými elektrony, které přenáší na elektrodu; tato elektroda se stává anodou. Odevzdáním elektronů se mediátor recykluje do původního oxidovaného stavu a celý proces se opakuje. Popsaný proces může nastat pouze v anaerobním prostředí. V opačném případě bude elektrony zachytávat přednostně kyslík. Mezi potenciální mediátory lze zařadit přírodní červeň, methylenová modř, thionin a resorufin.
Mediátor a vhodné mikroorganismy, jako jsou kvasinky, jsou smíchány dohromady v roztoku, ke kterému je přidán substrát, například glukóza. Tato směs je uzavřena v utěsněné komoře, která brání přístupu kyslíku, čímž je mikroorganismus nucen využívat anaerobní dýchání. Do roztoku je umístěna elektroda, která funguje jako anoda.
Ve druhé komoře MFC je jiný roztok a kladně nabitá katoda. Je to ekvivalent kyslíkového akceptoru elektronů na konci dýchacího řetězce mimo buňku. Roztok ve druhé komoře je oxidační činidlo, které zachycuje elektrony z katody. Může to být kyslík, vhodnější je však pevné oxidační činidlo, které vyžaduje menší objem.
Elektrody jsou propojeny vodičem (nebo jinou elektricky vodivou cestou). Elektrický obvod je uzavřen přes solný můstek nebo iontoměničovou membránu, což umožňuje protonům uvolňovaným reakcí podle výše uvedené rovnice, aby procházely z anodové komory do katodové.
Redukovaný mediátor přenáší elektrony z buňky k elektrodě, kde se oxiduje odevzdáním elektronů. Elektrony putují vodičem k druhé elektrodě (katodě), čímž vzniká elektrický proud. Z katody elektrony přecházejí na oxidační materiál. Protony (kladné vodíkové ionty) se pohybují od anody ke katodě přes protonově propustnou membránu ve směru klesajícího koncentračního gradientu a slučují se s kyslíkem (oxidačním materiálem), přičemž přijímají elektrony.
Anorganický mediátor lze vynechat při použití některých druhů bakterií využívajících speciální dráhy přenosu elektronů, souhrnně označované jako mimobuněčný přenos elektronů, který za normálních okolností umožňuje bakterii redukovat sloučeniny mimo buňku nebo v palivovém článku přenášet elektrony přímo na anodou.
V provozu MFC je anoda bakteriemi v anodové komoře vnímána jako koncový akceptor elektronů. Proto je mikrobiální aktivita silně závislá na redoxním potenciálu anody. Zdá se, že existuje určitý kritický anodový potenciál, při němž je výkon článku maximální.
Aplikace
Výroba elektřiny Mikrobiální články by mohly být zdrojem elektřiny pro aplikace s nízkou spotřebou, například v bezdrátových senzorových sítích, kde by výměna baterií byla komplikovaná nebo nepraktická.
Protože jako "palivo" mikrobiálního článku lze použít prakticky jakýkoli organický materiál, jsou zvažovány možnosti jejich využití v čistírnách odpadních vod. Experimentálně byla ověřována výroba elektřiny z různých odpadních vod, včetně vody z chemických procesů.
Grafitové anody pokryté biofilmem poskytovaly vyšší výkon, než čistě uhlíkové elektrody.
Jednou z výhod MFC je možnost miniaturizace. Elektrody mohou v některých případech mít tloušťku pouze 7 μm a délku 2 cm, MFC by mohly dodávat obnovitelnou energii bez nutnosti dobíjení a nahradit tak baterie.
Mikrobiální články běžně fungují v rozsahu teplot 20 °C až 40 °C a při pH kolem 7, postrádají však dlouhodobou stabilitu nutnou pro lékařské aplikace, jako jsou kardiostimulátory .
Emise palivových článků jsou hluboko pod regulačními limity. MFC přeměňují energii efektivněji než standardní spalovací motory, které jsou omezeny účinností Carnotova cyklu, MFC může teoreticky dosáhnout energetické účinnosti daleko přesahující 50 %. Rozendal vyráběl vodík s 8krát nižší spotřebou energie než konvenční technologie výroby vodíku. Elektrárny by mohly být založeny na vodních rostlinách, jako jsou řasy. Pokud by MFC systém byl umístěn vedle stávající elektrárny, mohl by sdílet elektrické vedení.
Vzdělávání