Bakteryjne ogniwa paliwowe

 Do ekologicznych źródeł energii, oprócz paneli słonecznych i wiatraków, dołączyć można także bakterie wytwarzające prąd elektryczny. Planując budowę domu, warto się nad tym zastanowić. Opracowany niedawno system pozwala na wygenerowanie prądu elektrycznego zdolnego do pokrycia rocznego zapotrzebowania na energię dla niewielkiego gospodarstwa domowego. Wszystko czego potrzeba do uzyskania prądu to trochę bakterii oraz niewielka działka, gdzie odkładałaby się materia organiczna. Jej rozkładem zajmowałyby się bakterie, wytwarzając przy okazji prąd elektryczny. Okazuje się, że z takiej bakteryjnej mini-elektrowni można będzie uzyskać wydajność rzędu 3.2 Watt/m². W sumie, ze 100 m² powierzchni fermentujących roślin można będzie wyciągnąć 2800 kWh/r. Dla porównania, w Polsce gospodarstwo dwuosobowe rocznie zużywa około 3100 kWh energii elektrycznej.

Dla nieobeznanych z tematem brzmi to nieco fantastycznie. Dla nieco bardziej zorientowanych kojarzyć może się z biopaliwami. Te, w Polsce często łączone są z tzw. biokomponentami, które, zgodnie z unijnymi dyrektywami mają być dodawane do oleju napędowego. Tym razem chodzi jednak o coś zupełnie innego. Chodzi o tzw. ogniwa paliwowe (ang. fuel cell), a nawet więcej, chodzi o bakteryjne ogniwa paliwowe. Ogólnie rzecz biorąc całość prac nad bakteryjnymi ogniwami paliwowymi związana jest z bio-elektrochemicznymi procesami jakie zachodzą przy udziale bakterii. Po części pokrywa się to z ideą samych ogniw paliwowych, znanych już od połowy XIX w.

Ideę ogniwa paliwowego streścić można w prosty sposób: to energia uzyskiwana z reakcji chemicznego utleniania dostarczanego do niej paliwa. Wygląda to w ten sposób, że paliwo jako darczyńca (donor) elektronów (ang. donor) gromadzi się na anodzie oddzielonej od akceptora elektronów (ang. acceptor) specjalną membraną, która przepuszcza tylko protony. Ruch elektronów z anody do katody, czyli prąd elektryczny, odbywa na zewnątrz membrany się przez odbiornik energii. Jako membrany (ang. PEM - Polymer Electrolyte Membrane) stosuje się obecnie polimery fluorowe. Warto jeszcze dodać, że ogniwa paliwowe, w odróżnieniu od tzw. zwykłych baterii, nie wymagają wcześniejszego naładowania. Nie magazynują prądu, ale za to wytwarzają go już od momentu rozpoczęcia reakcji utleniania.

Schemat działania ogniwa paliwowego: 1) wodór; 2) ruch elektronów; 3) odbiornik; 4) tlen; 5) katoda; 6) membrana; 7) anoda; 8) woda; 9) jony (żr. wikipedia)

Jak łatwo się można zorientować, wykorzystanie takiego ogniwa niesie ze sobą wymóg dostarczania paliwa, co może być ekonomicznie nieopłacalne. Kolejnym progiem jest sprawność energetyczna samego ogniwa. Teoretycznie może ona wynosić do 83%, jednak w praktyce, w przypadku pojazdów mechanicznych uzyskuje się w tej chwili ok. 40% sprawność. Niewątpliwym jednak atutem jest ekologiczna czystość odpadów podczas uzyskiwania takiej energii. W obecnie stosowanych ogniwach paliwowych, paliwem dostarczanym do ogniwa jest najczęściej wodór, zaś produktem ubocznym woda (para wodna). Jak widać kolejnym atutem są także w zasadzie niewyczerpane źródła wodoru.

Ale - właśnie problem z dostawą wodoru do układu ogniwa paliwowego powoduje, że ogniwa wodorowe są obecnie drogie i trudno sobie wyobrazić coś w rodzaju takiego ogniwa zaopatrującego dom w energię elektryczną. Gdybyśmy chcieli zrealizować taki pomysł musielibyśmy mieć dostęp do źródła wodoru, najlepiej w postaci skroplonej. Łatwo się zorientować, że koszt działania takiej instalacji mógłby przewyższać cenę wyprodukowanej energii. Próbuje się temu zaradzić łącząc ogniwo wodorowe np. z wiatrakami lub panelami słonecznymi, które produkują wodór. Jednak to taka hybryda, która trochę rozmywa pomysł stosowania ogniwa paliwowego.

Najpopularniejsze zastosowanie, czy też cieszące się największym zainteresowaniem potencjalnych nabywców, ogniwa paliwowe znalazły w przemyśle motoryzacyjnym. Honda, Toyota czy Mercedes mają w swej gamie samochodów również modele wykorzystujące ogniwa paliwowe. Na razie są to pojazdy prototypowe, ale obejmują one także autobusy, które będą mogły być wykorzystywane w centrach dużych miast, gdzie zanieczyszczenie powietrza, może skutecznie wyeliminować ruch konwencjonalnych pojazdów benzynowych. W rur wydechowych będzie wylatywać para wodna. Oczywiście potrzeba do tego sieci dystrybucji wodoru, ale niektóre państwa pewnie będzie stać na stosunkowo szybką rozbudowę takiej sieci. Można nawet w ciemno stawiać w pierwszym rzędzie na Niemcy, gdzie już dziś do centrów miast mogą wjeżdżać tylko samochody o odpowiednio niskiej emisji spalin. No i jeszcze jedno, cena w salonie za takie autko. Na razie za drogo, nawet dla Niemców, ale Toyota obiecuje, że już za parę lat wprowadzi na rynek model za ok. 50 tys dolarów.

Honda FCX - model na wodorowe ogniwo paliwowe za nieco ponad 100 tys. $ (źr. Honda News)

Oprócz samochodów, próbuje się konstruować również inne pojazdy, typu motorów, statków czy łodzi podwodnych. W USA, na wyspie Stuarta uruchomiono także elektrownię, która działa na zasadzie pętli: panele słoneczne → elektroliza wodoru → ogniwo paliwowe → prąd elektryczny. Sama wyspa zamieszkana jest przez 800 mieszkańców i elektrownia traktowana jest na razie jako eksperyment, tym bardziej, że jej sprawność wynosi zaledwie ok. 7%.

Wróćmy jednak do bakterii. Bakteryjne ogniwa paliwowe z angielska zwane microbial fuel cells (MFC) związane są z bio-elektrochemicznymi systemami (ang. BES). W takim systemie bakteria reaguje z elektrodami, anodą i katodą czyli donorem i akceptorem, transportując pomiędzy nimi elektrony. Donorem (anodą czyli paliwem) może być tak jak poprzednio wodór, ale mogą być także metale (żelazo, mangan) czy też kwas mrówkowy. Akceptorem jest oczywiście tlen. Do warunków takiej wymiany elektronów czyli płynięcia prądu elektrycznego przewodzonego przez bakterie może dochodzić w kilku przypadkach i przy udziale kilku typów bakterii.

W pierwszym typie MFC bakterie hodowane są w oddzielnym zbiorniku gdzie w efekcie swojego metabolizmu wytwarzają wodór dostarczany do ogniwa paliwowego. Mamy więc klasyczne rozwiązanie, gdzie beztlenowe bakterie, np. Escherichia coli wytwarzają wodór w wyniku fermentacji kwasów mieszanych. Podobno najlepiej sprawdza się kwas masłowy i bakteria z rodzaju Clostridium.

W drugim typie jako paliwo używany jest wodór, siarkowodów i kwas mrówkowy. Całość, donor i akceptor, znajduje się w tym samym zbiorniku. W ogniwie biorą udział bakterie siarkowe z rodzaju Desulfovibrio, które żyją z redukcji siarczanów.

W trzecim typie MFC do przekazywania elektronów służą tzw. mediatory redoks, które przedostają się do wnętrza komórki bakteryjnej, gdzie ulegają redukcji. Zredukowany mediator opuszcza komórkę bakterii i szybko ulega utlenieniu na elektrodzie nie osiadając na niej. W tym przypadku bakterie pełnią tylko rolę redukcji mediatorów-paliw. Jako przykład takiego duetu może służyć wymieniana już pałeczka okrężnicy Escherichia coli i błękit metylowy jako mediator.

Do czwartego typu MFC należą bakterie które bezpośrednio łączą paliwo z anodą, czyli przekazują na nią elektrony. Ten typ bakteryjnego ogniwa paliwowego jest najbardziej wydajny i nad nim skupia się większość prac badawczych. Jak to wygląda? W gruncie rzeczy związane jest to ze sposobem komunikowania się ze sobą bakterii. Bakterie potrafią przekazywać informacje o swoim stanie i otoczeniu innym bakteriom w pobliżu. Oczywiście, najszybszą metodą są sygnały optyczne rozchodzące się przecież z prędkością światła, jednak nie zawsze można z nich skorzystać. Wtedy najlepszym sposobem jest bezpośredni kontakt. który bakterie realizują w różny sposób. Najczęściej stosowanym sposobem jest łączenie się bakterii w zespoły wielu komórek, które działają jak jeden organizm.

Fragment bakteryjnego biofilmu - widać cienkie pili łączące ze sobą bakterie (źr. adonofrio)

Wielokomórkowe agregaty bakteryjne mogą tworzyć cienkie powłoki pokrywające różne powierzchnie, tzw. biofilm. W takim biofilmie pojedyncze bakterie połączone są z innymi bakteriami zewnątrzkomórkowymi wypustkami zwanymi pili. Pili tworzą skomplikowaną sieć powiązań międzykomórkowych, a sygnał pomiędzy komórkami przekazywany jest przy pomocy ładunku elektronów. Trochę przypomina to strukturę mózgu. Dość dobrze poznaną bakterią, która w ten sposób przewodzi prąd, jest rodzaj Shewanella. Doświadczenia przeprowadzano w osadach bogatych w materię organiczną i pozbawionych tlenu, tzw. osadach anoksycznych. Wtedy gdy kolumna wody ponad osadem także pozbawiona była tlenu, w osadzie nie obserwowane żadnych zmian. Gdy jednak do dna dostarczono trochę tlenu okazało, że materia organiczna i zgromadzony w strefie anoksycznej siarkowodór uległy gwałtownemu utlenieniu, któremu towarzyszyła jednoczesna redukcja strefy utlenionej oraz wzrost alkaliczności wody (pH). Jedynym wytłumaczeniem był proces transportu elektronów wzdłuż bakteryjnych pili, które zyskały miano nanokabelków (ang. nanowires). W późniejszych badaniach okazało się, że nie tylko bakteryjne pili mogą przewodzić prąd elektryczny.

Prąd może być także transportowany wzdłuż bakteryjnych nitek, tzw. filamentów. Skala tego zjawiska jest już znacznie większa, gdyż filamenty przewodzące prąd mogą mieć do kilku centymetrów długości i kilka mikrometrów grubości. Mimo, że to wciąż bardzo mało (ponad 100 metrów takiego kabelka mieści się w 1 cm³ osadu), to jednak mikrokable (ang. microcables) mają już potencjał do wykorzystania przez człowieka.

Bardzo ciekawym przykładem bakterii siarkowych, które tworzą rozległe pola mat bakteryjnych wypuszczających w głąb osadu, długie na kilkanaście cm filamenty, są gigantyczne bakterie z rodzaju Thioploca. Filamenty takich bakterii mogą mieć do 1.5 mm średnicy, na dodatek łączą się w wiązki, które pokryte są wspólną osłonką - taki splot kabelków w koszulce. Bakterie te operują w strefie pomiędzy anoksyczną a utlenioną, tzw. suboksycznej, dbając o to, żeby nie było w niej ani za dużo siarki, ani za dużo tlenu. Energię czerpią z utleniania siarczków w głębokiej części strefy ankosycznej przy pomocy azotanów z pogranicza strefy anoksycznej i suboksycznej, jako ostatecznych akceptorów.

Wracając do początku, do działki z bakteriami produkującymi prąd, sytuacja wyglądałaby podobnie jak w czwartym typie bakteryjnych ogniw paliwowych, gdzie bakterie utleniałyby butwiejącą w strefie anoksycznej materię organiczną. Początkiem całego łańcucha jest oczywiście fotosynteza, czyli wzrost roślin, które po obumarciu dostają się do osadu pozbawionego tlenu, gdzie dochodzi do procesów gnicia, tworzenia się siarczków i ostatecznie metanogenezy. Bakterie działające na granicy stref anoksycznej i tlenowej generowałyby ruch elektronów w stronę tlenowego akceptora wzdłuż swoich filamentowych struktur.

Schemat działania PMFC (źr. Nature)

Cały pomysł tzw. Plant Microbial Fuel Cell (PMFC) jest w tej chwili opracowywany na uniwersytecie w Wageningen w Holandii, gdzie założono spółkę typu spin-off o nazwie Plant-e, która chce wykorzystać rośliny z nadmorskich równi pływowych i bagien. W przypadku braku działki, na której mogłyby takie rośliny rosnąć, Holendrzy proponują produkcję bakteryjnego prądu na płaskich dachach. Zobaczymy jak spółka się rozwinie, bo sam projekt ma być wcielony w życie do 2015 roku.

Źródła:
Huettel M, Forster S, Kloser S, & Fossing H (1996). Vertical Migration in the Sediment-Dwelling Sulfur Bacteria Thioploca spp. in Overcoming Diffusion Limitations. Applied and environmental microbiology, 62 (6), 1863-72 PMID: 16535328

Nielsen, L., Risgaard-Petersen, N., Fossing, H., Christensen, P., & Sayama, M. (2010). Electric currents couple spatially separated biogeochemical processes in marine sediment Nature, 463 (7284), 1071-1074 DOI: 10.1038/nature08790

Pfeffer, C., Larsen, S., Song, J., Dong, M., Besenbacher, F., Meyer, R., Kjeldsen, K., Schreiber, L., Gorby, Y., El-Naggar, M., Leung, K., Schramm, A., Risgaard-Petersen, N., & Nielsen, L. (2012). Filamentous bacteria transport electrons over centimetre distances Nature, 491 (7423), 218-221 DOI: 10.1038/nature11586

Rabaey K, Rodríguez J, Blackall LL, Keller J, Gross P, Batstone D, Verstraete W, & Nealson KH (2007). Microbial ecology meets electrochemistry: electricity-driven and driving communities. The ISME journal, 1 (1), 9-18 PMID: 18043609

Reguera G (2011). When microbial conversations get physical. Trends in microbiology, 19 (3), 105-13 PMID: 21239171

Sikora, A. & Sikora, R. 2005. Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. Biotechnologia, 2: 68-77.

Fot. w nagłówku: na amerykańskim rynku już pojawiły się dystrybutory z wodorem (źr. flickr)

Posted in: anoksja,bakterie,efekt cieplarniany,ekologia,holocen,ogniwa paliwowe,prąd