Mikrobiológiai üzemanyagcellák szervesanyag-eliminációs hatékonyságának vizsgálata
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék
Témavezető: Dr. Tardy Gábor Márk egyetemi adjunktus
Előadó: Lóránt Bálint
Biomérnök MSc hallgató
Mikrobiológiai üzemanyagcella működésének alapjai
Az MFC-ben (Microbial Fuel Cell) a szerves anyagok biodegradációjából közvetlenül elektromos energia nyerhető az ún. exoelektrogén mikroorganizmusok segítségével. 1
Mikrobiológiai üzemanyagcella működésének alapjai
Anódtér Szigorúan anaerob. Az exoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják.
Katódtér Aerob (levegőztetett). Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva.
2
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Alacsony feszültség értékek (0,3-0,6 V). Kis teljesítmény (~200 ).
Kis teljesítményigényű fogyasztók áramellátására
Tender et al. 2008
3
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Alacsony biomassza hozam. Hatékony szennyező eltávolítás .
Szennyvíztisztításra, szennyezés megsemmisítésre
Kapcsolat a feszültség és a szubsztrát koncentrációja között.
Alkalmazás bioszenzorként
4
A kutatás célja Szerves szubsztrátok biodegradációjának kinetikai vizsgálatára alkalmas üzemanyagcella létrehozása. Acetát és pepton biodegradációjának kinetikai vizsgálata, a féltelítési állandók valamint a maximális feszültség érték meghatározása. Szervesanyag-eliminációs hatékonyság vizsgálata.
5
Két cellás H-típusú MFC Protonszelektív membrán
Anód
Katódtér
Katód Levegőztető porlasztója
Anódtér
Mágneses keverők
6
Elektród anyagok
D
Grafit szövet:
Grafit lap:
7
A katód/anód arány és az anyagminőség hatása a cella teljesítménysűrűségére
~2X-es katód/anód felületarány felett grafitlap anódot és grafitszövet katódot alkalmazva a cella teljesítménye függetlenné vált a katód/anód aránytól. A biodegradáció a sebesség-meghatározó. 8
D A kinetikai vizsgálatra alkalmazott kísérleti rendszer Perisztaltikus pumpa
V
H
Levegőztetés
Tápoldat tartály
Anódtér
Katódtér
Grafitlap anód és grafitszövet katód, katalizátor réteggel és anélkül. 3X katód/anód felületarány. Tápoldat tartály és folyamatosan keringtetett táplé.
Mintavétel, centrifugálás után teljes oldott szerves C-tartalom (DOC – Dissolved Organic Carbon) mérése. 9
Monod-kinetika
D
A biológiai folyamatok jellemzően a Monod-kinetikával írhatók le, pl.: enzimes reakciók sebessége mikrobák fajlagos növekedési sebessége
µmax: mikroba maximális növekedési sebessége. Ks: az a szubsztrát koncentráció, melynél a növekedés sebessége épp fele a maximálisnak.
10
Acetát exoelektrogén D biodegradációjának kinetikája 0,50 0,45 0,40 0,35
Feszültség (V)
0,30 0,25
x
0,20
c
x
0,15 x
0,10
x
0,05 0,00
Nem katalizált
Katalizált
x 0
5
10
15
20
25
30
DOC (mg/l)
35
40
45
50
Feltételeztük, hogy az adott koncentráció-tartományban az acetát biodergradációja az MFC-ben Monod-kinetikát követ. A feszültség a lebontó folyamatok sebességétől függ: =
∗
+
→
=
∗
+
11
D Ks és Umax megállapítása acetát felhasználásával
Sinert: nehezen biodegradálható, mikrobák pusztulásából.
Nem katalizált: Umax=0,323 V Katalizált:
Umax=0,415 V
Ks=0,46 mg/l Sinert=7,3 mg/l
Ks=0,11 mg/l Sinert=12,7 mg/l
12
D Ks és Umax megállapítása pepton felhasználásával
Sinert
Nem katalizált: Umax=0,326 V Katalizált:
Umax=0,408 V
Ks=0,72 mg/l Sinert=6,0 mg/l
Ks=0,79 mg/l Sinert=7,0 mg/l
13
Összehasonlítás Umax (V) Acetát Pepton
Nem katalizált
0,323
Nem katalizált
0,326
Katalizált Katalizált
0,415 0,408
D
Ks Sinert Ks+Sinert (mg DOC/l) (mg DOC/l) (mg DOC/l)
0,46
7,3
7,76
23,33 - 31,10
6,72
20,15 - 26,87
0,11
12,7
12,81
0,79
7,0
7,79
0,72
6,0
~KOI (mg/l) Ks+Sinert
38,56 - 51,41
KOI határérték érzékeny befogadókra
50 mg/l
23,33 - 31,11
A legszigorúbb határérték alatti tartományban is hatékony biodegradáció. A szakirodalomhoz képest (~1 mmol/l = ~24 mg DOC/l) az általunk tapasztalt KS érték 0,46-0,79 mg DOC/l közel két nagyságrenddel kisebb. Feltételezhető, hogy elektromos energia termelés és szervesanyag elimináció MFC-kben az eddigi elképzeléseknél alacsonyabb koncentrációk esetén is hatékony lehet. Sinert feltételezhetően a biomassza líziséből adódó inert DOC frakció.
14
Összefoglalás I.
D
A biodegradáció kinetikai vizsgálatára fejlesztett cellában grafitlap anódot és grafitszövet katódot alkalmaztunk ~3X-os K/A felület aránnyal Az anódon zajló folyamatok a sebesség meghatározók. Levezettük, hogy: A maximális feszültség és a féltelítési állandó értékét acetát és pepton szubsztrát esetén is meghatároztuk. A féltelítési állandók közel 2 nagyságrenddel kisebbnek adódtak, mint a korábbi kutatások 24 mg DOC/l-es eredményei.
15
Összefoglalás II.
D
Az MFC teljesítménye alacsony szubsztrát koncentráció mellett sem esik vissza, így szennyvíztisztításban a kis koncentrációjú szubsztrátok eliminációjában is hatékony megoldás lehet. MFC alapú bioszenzorokkal tápanyagok/szennyezőanyagok jelenléte (élővízben, ivóvízben, szennyvízben) kis koncentrációban is kimutatható. Az Sinert eredetének vizsgálata jelenleg folyik, valószínűsíthetően a mikrobák pusztulása során keletkező nehezen biodegradálható szerves anyagok alkotják.
16
Köszönöm a figyelmet!
D
17
A cellában kialakuló feszültség értéke különböző katódoldatok esetén 400 350 318,5
300
U (mV)
250 200
333
344
240,4
150 100
1 l oldatban 3,13 g NaHCO3, 0,31 g NH4Cl, 0,13 g KCl, 4,22 g NaH2PO4 6,93 g Na2HPO4·12 H2O + nyomelemek
50 0
Az anódtérben alkalmazott standard tápsó oldat:
0,1% KCl
1% KCl
tápsó
tápsó +1% KCl
A katódtérben 1 m/m %-os KCl oldat és a standard tápsó oldat alkalmazása a cella feszültsége és teljesítménye szempontjából közel ekvivalens.
Mivel tápsóoldat KCl koncentrációjának növelése nem hozott jelentős növekedést az 1000 Ω ellenállásra eső feszültségben így arra következtettünk, hogy a további ionerősség emelés jelentős változást nem eredményez a cella teljesítményében.
Kutatásunk legújabb fázisa
D
Túlfolyó
Anód kivezetés Katód kivezetése
Betáp
Légkatód Grafit lap anód Mágnes keverő
Kutatásunk legújabb fázisa II. D
0,5 0,45 0,4
Feszültség (V)
0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0
0
2000
4000
6000
Ellenállás (ohm)
8000
10000
12000
0,5 0,45 0,4
Feszültség (V)
0,35 0,3 0,25 0,2 y = -547x + 0,4639 R² = 0,9981
0,15 0,1 0,05 0
0
0,0001
0,0002
0,0003 Áramerősség (A)
0,0004
0,0005
0,0006
70
Teljesítménysűrűség (mW/m2)
60
50
40
30
20
10
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
Ellenállás (ohm)
6000
7000
8000
9000
10000
12000
10000
Ellenállás (ohm)
8000
6000 y = 9.8474x + 2.362 R² = 1
4000
2000
0
0
200
400
600
Helipot állás
800
1000
1200
