Η Βιοηλεκτροχημικά Υποβοηθούμενη Ηλεκτροδιάλυση

Τα μικροβιακά κύτταρα ηλεκτρόλυσης είναι καινοτόμες τεχνολογίες που χρησιμοποιούν «ηλεκτρενεργούς μικροοργανισμούς» ως βιοκαταλύτες σε μια ηλεκτροχημική συσκευή. Αυτοί οι ηλεκτρενεργοί μικροοργανισμοί μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια με ένα αγώγιμο υλικό μέσω του εξωτερικού μηχανισμού μεταφοράς ηλεκτρονίων, χρησιμοποιώντας το αγώγιμο υλικό ως δότη ή δέκτη ηλεκτρονίων.

Η τρέχουσα γενιά από το μεταβολισμό ενός μικροοργανισμού αναφέρθηκε για πρώτη φορά το 1911 από τον M.C. Πότερ στην επιστημονική του επιστολή επικοινωνίας «Electrical Effects Accompany the Decomposition of Organic Compounds», όπου δήλωσε ότι:

Οι μελέτες για την αλληλεπίδραση μικροοργανισμών και στερεών υλικών συνεχίστηκαν κυρίως στον τομέα της βιοδιάβρωσης μετάλλων, ιδιαίτερα στο θαλάσσιο περιβάλλον, ενώ τα τελευταία 20 χρόνια το επιστημονικό ενδιαφέρον για τους ηλεκτρενεργούς μικροοργανισμούς έχει επικεντρωθεί κυρίως στην εφαρμογή τους σε βιοηλεκτροχημικά συστήματα στον περιβαλλοντικό τομέα. .

Η πιο γνωστή βιοηλεκτροχημική συσκευή που αναπτύχθηκε κατά τη διάρκεια της τελευταίας περιόδου είναι η μικροβιακή κυψέλη καυσίμου καθόδου αέρα (MFC), η οποία επιτρέπει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας συνδέοντας τη βιο-ανοδική οξείδωση οργανικών ενώσεων και τη μείωση του οξυγόνου στον αέρα. δίνοντας τη δυνατότητα απευθείας μετατροπής της χημικής ενέργειας που περιέχεται στα λύματα σε ηλεκτρική ενέργεια. Ακόμα κι αν οι εκροές ενέργειας MFC απέχουν πολύ από τις τεχνολογίες αναφοράς, η μελέτη για το MFC οδήγησε σε ένα νέο και εξαιρετικά ενεργό ερευνητικό πεδίο στο οποίο συμμετέχουν σήμερα περισσότεροι από 900 επιστήμονες από όλο τον κόσμο, οι περισσότεροι από τους οποίους ανήκουν στη International Society for Microbial Electro Τεχνολογίες (ISMET).

Σήμερα, τα βιοηλεκτροχημικά συστήματα διερευνώνται για μεγάλο αριθμό εφαρμογών όπως:η παραγωγή μορίων στόχων σε συνδυασμό με την επεξεργασία λυμάτων (Microbial Electrolysis Cell, MEC), η αφαλάτωση υφάλμυρου και θαλασσινού νερού (Microbial Desalination Cell, MDC) ή η άμεση CO₂ σταθεροποίηση σε πτητικά λιπαρά οξέα (Microbial Electrosynthesis Cell, MES). Τα MEC είναι οι συσκευές που έχουν διερευνηθεί περισσότερο επειδή μπορούν να αντιπροσωπεύουν μια πιθανή στρατηγική για το συνδυασμό του CO₂ σταθεροποίηση με την αποθήκευση ενέργειας και την ανάκτηση θρεπτικών συστατικών.

Η δυνατότητα χρήσης της βιοηλεκτροχημικής μεθανοποίησης ως στρατηγικής για τη χρήση της υπερπαραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, ειδικά από ανανεώσιμες πηγές, έχει προταθεί στην έννοια της βιοηλεκτροχημικής ενέργειας προς αέριο (BP2G) όπου το συγκεντρωμένο CO₂ Ρεύματα όπως το βιοαέριο ή άλλα καυσαέρια μπορούν να μετατραπούν σε μεθάνιο χρησιμοποιώντας μια βιοκάθοδο που παράγει μεθάνιο. Επιπλέον, η ενέργεια που παράγεται από βιοηλεκτροχημικές αντιδράσεις επιτρέπει τη συγκέντρωση και την ανάκτηση του αζώτου αμμωνίου από τα λύματα, χάρη στη μετανάστευση του μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής κατιόντων. Η ανάκτηση αμμωνίου αντιπροσωπεύει έναν σημαντικό περιβαλλοντικό στόχο, επειδή η στερέωσή του (που εκτελείται με την ενεργοβόρα διεργασία Haber-Bosh) και η απομάκρυνση από τα λύματα (διεργασία νιτροποίησης/απονιτροποίησης) είναι ενεργοβόρες διαδικασίες.

Σε αυτό το πλαίσιο, η μελέτη που δημοσιεύθηκε πρόσφατα από την ερευνητική μας ομάδα «Three-chamber Bioelectrochemical System for Biogas Upgrading and Nutrient Recovery» αναφέρει τις επιδόσεις μιας καινοτόμου διαμόρφωσης μικροβιακής κυψέλης ηλεκτρόλυσης με στόχο να συνδυάσει τον καθοδικό σχηματισμό μεθανίου και το CO ₂ απομάκρυνση με την ανοδική επεξεργασία λυμάτων, μαζί με την ανάκτηση αμμωνίου και διττανθρακικών. Η καινοτομία που παράγεται σε αυτή τη δημοσίευση είναι η προσθήκη ενός ενδιάμεσου θαλάμου, που ονομάζεται θάλαμος συσσώρευσης, που χωρίζεται από μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων και μια μεμβράνη ανταλλαγής ανιόντων μεταξύ του ανοδικού και του καθοδικού θαλάμου.

Λόγω της διαμόρφωσης των κυψελών, η διατήρηση της ηλεκτροουδετερότητας εξασφαλίστηκε με τη μετανάστευση κατιόντων (αμμώνιο) από την άνοδο στον θάλαμο συσσώρευσης και ανιόντων (διττανθρακικά) από την κάθοδο στον θάλαμο συσσώρευσης. Η κινητήρια δύναμη για τη μετανάστευση ιόντων είναι ο ηλεκτρισμός που παράγεται από την ανοδική και καθοδική βιοηλεκτροχημική αντίδραση, δηλαδή την ανοδική οξείδωση της οργανικής ύλης (COD) και το καθοδικό CO₂ μείωση; η προκύπτουσα διεργασία λειτουργεί σαν μια συμβατική διαδικασία ηλεκτροδιάλυσης με τη βιοηλεκτροχημικά παραγόμενη ενέργεια. Τα κύρια ιοντικά είδη που προσδιορίστηκαν κατά τη λειτουργία του MEC ήταν το αμμώνιο που τροφοδοτείται από την ανοδική εισροή (που προσομοιώνει τα αστικά λύματα) και το διττανθρακικό που προέρχεται από το CO₂ ρόφηση στον καθοδικό θάλαμο λόγω της δημιουργίας αλκαλικότητας. Η δημιουργία αλκαλικότητας στον καθοδικό θάλαμο – το κύριο CO₂ μηχανισμός αφαίρεσης – προέρχεται από την ιοντική μετανάστευση ειδών διαφορετικών από τα πρωτόνια και τα υδροξύλια, άμεσα συνδεδεμένα με το ρεύμα που έρεε στο κύκλωμα.

Η διαδικασία MEC τριών θαλάμων μπορεί ενδεχομένως να χρησιμοποιηθεί ως επεξεργασία μετά τη μονάδα για την αύξηση της ποιότητας των παραπροϊόντων από τη διαδικασία αναερόβιας χώνευσης, δηλαδή το βιοαέριο μπορεί να υποβληθεί σε επεξεργασία στον καθοδικό θάλαμο και από το CO₂ Η απομάκρυνση μετατρέπεται σε βιομεθάνιο, ενώ στον ανοδικό θάλαμο το χωνεμένο υπόλειμμα – που συνήθως περιέχει υπολειμματικό COD και υψηλή συγκέντρωση αμμωνίου – διατηρεί εν μέρει την ενεργειακή ζήτηση της διεργασίας με την υπολειμματική οξείδωση COD. Τέλος, το ρεύμα που παράγεται από τις δύο βιοηλεκτροχημικές αντιδράσεις προάγει τη μετανάστευση αμμωνίου και διττανθρακικών, δημιουργώντας ένα συγκεντρωμένο ρεύμα στον θάλαμο συσσώρευσης που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως λίπασμα ή για άλλους βιοτεχνολογικούς σκοπούς, όπως ένα θρεπτικό διάλυμα.

Αναφορές

1. Potter, M. C. (1911). «Ηλεκτρικά φαινόμενα που συνοδεύουν την αποσύνθεση οργανικών ενώσεων». Proceedings of the Royal Society of London B:Biological Sciences 84(571):260-276.
2. Schroder, U., F. Harnisch and L. T. Angenent (2015). «Μικροβιακή ηλεκτροχημεία και τεχνολογία:ορολογία και ταξινόμηση». Energy &Environmental Science 8(2):513-519.
3. Geppert, F., D. Liu, M. van Eerten-Jansen, E. Weidner, C. Buisman and A. ter Heijne (2016). «Βιοηλεκτροχημική Power-to-Gas:State of the Art και Μελλοντικές Προοπτικές». Trends in Biotechnology 34(11):879-894.
4. Zeppilli, M., A. Mattia, M. Villano και M. Majone "Βιοηλεκτροχημικό σύστημα τριών θαλάμων για την αναβάθμιση του βιοαερίου και την ανάκτηση θρεπτικών ουσιών." Κυψέλες καυσίμου

Η μελέτη, Βιοηλεκτροχημικό σύστημα τριών θαλάμων για αναβάθμιση βιοαερίου και ανάκτηση θρεπτικών ουσιών δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Fuel Cells .