Energia elektryczna ze ścieków: rosyjscy naukowcy „zmuszą” mikroorganizmy do wytwarzania prądu

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną poprzez utlenianie materii organicznej przez specjalne mikroorganizmy. Ostatnio możliwości takich urządzeń znacznie wzrosły, a naukowcy uważają ich hybrydę z systemami oczyszczania ścieków za obiecujące źródło „zielonej” energii.

Naukowcy z czołowych rosyjskich uniwersytetów opowiedzieli Sputnikowi o znaczeniu energii drobnoustrojów i swoich osiągnięciach w tej dziedzinie.

Wiele mikroorganizmów jest w stanie żywić się w środowisku beztlenowym dzięki utlenianiu materii organicznej, jednocześnie uwalniając elektrony do środowiska zewnętrznego. Jeszcze na początku XX wieku naukowcy próbowali wykorzystać takie mikroorganizmy - egzoelektrogeny - do produkcji energii elektrycznej, ale do niedawna moc mikrobiologicznych ogniw paliwowych pozostawała znikoma. Mikrobiologiczna bateria może działać na różnorodnych substancjach organicznych - w tym ściekach lub odpadach przemysłowych.

Poszukiwanie optymalnej konfiguracji mikrobiologicznych ogniw paliwowych, jak wyjaśnili naukowcy, jest trudnym zadaniem, które wymaga modelowania matematycznego uwzględniającego materiał elektrod, stężenie i szybkość podawania substratu organicznego, pH pożywki, geometrię układu i inne czynniki.

„Stworzyliśmy kompleksowy model mikrobiologicznych ogniw paliwowych, który w szczegółach przewyższa analogi, w którym jednocześnie uwzględniliśmy wzrost populacji drobnoustrojów, tempo zużycia i powstawania utleniającej się materii organicznej, elektromigrację protonów między elektrodami, dyfuzję składników organicznych oraz kinetykę reakcji elektrochemicznych. Na podstawie modelu obliczyliśmy nowe podstawowe prawidłowości układu i optymalizowaliśmy jedną z kluczowych cech - stężenie substratu organicznego” - powiedziała docentka Rosyjskiego Uniwersytetu Chemiczno-Technologicznego im. Mendelejewa, Wioletta Wasilenko.

Substratem w bateriach był roztwór glukozy w mieszaninie soli, a źródłem mikroorganizmów był osad czynny stosowany do oczyszczania ścieków. Wyniki badań naukowców z Rosyjskiego Uniwersytetu Chemiczno-Technologicznego im. Mendelejewa opublikowano w czasopiśmie "Energies".

Na podstawie wyników eksperymentów naukowcy dopracowali wartości parametrów numerycznych uwzględnionych w modelu, a następnie za pomocą modelu obliczyli optymalne stężenie glukozy w pożywce. Naukowcy zauważyli również, że za pomocą proponowanego modelu można zoptymalizować inne kluczowe parametry mikrobiologicznych ogniw paliwowych.

Według naukowca z Wydziału Chemii Moskiewskiego Uniwersytetu Państwowego im. Łomonosowa, Anatolija Antipowa, na tle stałego wzrostu zużycia energii elektrycznej, stale rośnie zapotrzebowanie na różne generatory elektryczne oparte na odnawialnych surowcach organicznych.

„O działaniu mikrobiologicznych ogniw paliwowych decyduje cały zespół złożonych czynników, począwszy od specyfiki ewolucji środowiska bakteryjnego, a skończywszy na kinetyce zachodzących reakcji elektrodowych. Z tego powodu eksperymentalna optymalizacja mikrobiologicznych ogniw paliwowych często staje się zadaniem niezwykle obszernym. Model stworzony przez kolegów z Rosyjskiego Uniwersytetu Chemiczno-Technologicznego pomaga dobrać kluczowe parametry w oparciu o przewidywania matematyczne, w ten sposób znacznie zmniejszając liczbę eksperymentów” - powiedział Anatolij Antipow.

Badania zostały przeprowadzone przez pracowników Katedry Informatyki i Wydziału Biotechnologii Rosyjskiego Uniwersytetu Chemiczno-Technologicznego im. Mendelejewa wraz z badaczami z Instytutu Chemii Fizycznej i Elektrycznej RAN im. Frumkina i Uniwersytetu w Genui (Włochy). W przyszłości naukowcy z Rosyjskiego Uniwersytetu Chemiczno-Technologicznego planują wykorzystać nowy model do opracowania hybrydowego systemu oczyszczania ścieków z synchronicznym wytwarzaniem energii elektrycznej.

Rosyjski Uniwersytet Chemiczno-Technologiczny im. Mendelejewa jest kluczową uczelnią przemysłu chemicznego w Rosji i liderem wśród uniwersytetów inżynierii chemicznej. Praca uczelni ukierunkowana jest zarówno na tworzenie nowych technologii, jak i wprowadzanie ich do przemysłu: zaawansowane badania i szkolenie młodych specjalistów prowadzi 40 wydziałów i 20 laboratoriów, do dyspozycji uczelni są pilotażowe i eksperymentalne zakłady produkcyjne, park technologiczny oraz centrum innowacji i technologii.