دانلود پایان نامه
شکل 2-1: مقایسه شبیه سازی مدل [40] و نتایج آزمایشگاهی [14] در غلظت 1 میلی مولار استات- [40]
در این مطالعه با در نظر گرفتن تغییرات زمانی و مختصات یک بعدی، شاخصهای مهم پیلهای سوختی میکروبی شامل چگالی جریان الکتریکی خروجی، ضخامت بیوفیلم تشکیل شده، میزان حذف سوبسترا از سامانه و بازده کلومبیک در شرایط مختلف مورد بررسی قرار گرفتهاند. اثر تغییرات غلظت سوبسترا و پتانسیل الکتریکی در بیوفیلم، در رفتار پیل سوختی میکروبی نیز بررسی شده است.
در این پژوهش، مارکوس و همکاران با معرفی جمله نرنست- مونود و در نظر گرفتن بیوفیلم به عنوان یک محیط رسانای اهمی توانستند مدلی را برای پیلهای سوختی میکروبی با ساز و کار هدایت مستقیم الکترون پیشنهاد نمایند [30]. در این مدل، علاوه بر صرفنظر از تغییرات pH در طول بیوفیلم، پتانسیل سطح آند نیز ثابت در نظر گرفته شده است.
در این پژوهش مشخص شد، ضریب هدایت الکتریکی بیوفیلم نقش مهمی را در کارکرد پیل سوختی میکروبی و نوع محدودیت مؤثر در مصرف سوبسترا بازی میکند. به گونهای که به ازای مقادیر کم این ضریب (در حدود 00001/0 میلی زیمنس بر سانتی متر)، پتانسیل الکتریکی در بیوفیلم محدود کننده فرآیند میباشد. با افزایش ضریب هدایت الکتریکی، محدودیت موجود به سمت مقاومت انتقال جرم سوبسترا درون بیوفیلم تغییر میکند [30]. البته در پژوهشهای بعدی که توسط همین گروه پژوهشی صورت گرفت، مشخص شد که جوامع متشکل از میکروبهای با تنفس آندی، دارای ضریب هدایت الکتریکی بسیار بالا (در حدود 5/0 میلی زیمنس بر سانتیمتر) میباشند [40]. علاوه بر موارد بالا، چگونگی نوزیع گونههای فعال و غیر فعال میکروبی در طول بیوفیلم نیز تعیین شدهاند.
در سال 2010، دو مطالعه دیگر توسط پیسیورنو و همکاران انجام شد [42؛ 43]. هر دوی این مطالعات نیز بر پایه انتقال الکترون توسط مواد واسط میباشند.
پیسیورنو و همکاران با پیشنهاد یک مدل دوبعدی و تنها با در نظر گرفتن گروههای میکروبی معلق، مشخصههای پیل سوختی میکروبی را بر حسب نمودارهای پلاریزاسیون و توان- جریان و تغییرات زمانی غلظت سوبسترا و مواد واسط مورد بررسی قرار دادند. در اینجا نیز رفتار پیل سوختی میکروبی در مقادیر مختلفِ مقاومت الکتریکی، مقاومت انتقال جرم، جریان تبادلی و غلظت سوبسترا و مواد واسط تعیین شده و روندهای اولیه جریان تولیدی توسط حالتهای مختلف اکسیداسیون ماده واسط تبیین گردیدهاند. در این پژوهش از گلوکز به عنوان سوبسترا و از فریسیانید به عنوان الکترون گیرنده نهایی استفاده شده است [42].
در مدل دیگری که این گروه پژوهشی در سال 2010 پیشنهاد نمودند، برای اولین بار با ترکیبی از معادلات و روشهای دینامیک سیالات محاسباتی، موازنه بار و جرم نرنست- پلانک همراه با نفوذ، ساز و کار جابجایی و الکترون خنثایی ، تأثیر تغییرات pH در بیوفیلم و هیدرودینامیک جریان را مورد بررسی قرار دادند. همان گونه که ذکر شد، در اینجا نیز انتقال الکترون از سطح میکروبها به سطح آند توسط مواد واسطه انجام میگیرد [43].
تغییرات زمانی چگالی جریان الکتریکی، pH، غلظت ماده واسط و سوبسترا و تراکم میکروبی در شرایط مختلف مورد مطالعه قرار گرفتهاند. تراکم میکروبی و چگونگی توزیع غلظت گاز هیدروژن در یک دامنه محاسباتی دو بعدی و در زمانهای مختلف ارائه شدهاند [43].
اثر قابل توجه pH و تغییرات آن، در محدود نمودن جریان خروجی پیلهای سوختی میکروبی به تازگی مشخص شده است [44]. بنابراین هدف اصلی پژوهش بالا، مدلسازی تغییرات pH در بیوفیلم و بررسی اثر آن در شاخصهای مهم پیل سوختی میکروبی است. دو مقاومت اساسی در برابر انتقال پروتونها در بیوفیلم و الکترولیت وجود دارد. بر پایه نتایج این مطالعه، در صورتی که نرخ عبور پروتون از الکترولیت کم باشد، به علت اکسیداسیون سوبسترا و تولید مداوم پروتون در آند، پروتونها در محفظه آندی تجمع یافته و آند به سمت اسیدی شدن پیش میرود. ولی در صورت بالا بودن غلظت بافر در محفظه آندی، pH در نزدیک مقدار خنثی ثابت میماند. مقدار بافر برای ثابت نگهداشتن pH به غلظت اولیه سوبسترا بسیگی دارد. غلظت ناکافی بافر سبب تبدیل ناقص سوبسترا و لذا تولید جریان الکتریکی پایینتر میگردد. در صورت بالا بودن میزان عبور پروتون به سمت کاتد، میزان pH در محدوده مقدار اولیه 7 (حتی در غلظتهای پایین بافر) باقی خواهد ماند [43].
محاسبات هیدرودینامیکی در این پژوهش نیز نشان میدهد، که در صورت چشمپوشی از جابهجایی، الکترودهای متخلخل با سطح تماس بسیار بالاتر لزوماً جریان الکتریکی بیشتری نسبت به الکترود غیر متخلخل صفحهای تولید نمینمایند [43].
مدل دیگر برای پیلهای سوختی میکروبی توسط زنگ و همکاران در سال 2010 با فرض یک پیل دو محفظهای و با سوبسترای استات ارائه گردید. با توجه به شباهت پیلهای سوختی میکروبی با پیلهای سوختی شیمیایی مرسوم و توسعه کافی مدلهای مربوط به آنها، این مدل بر اساس مدلهای موجود برای پیلهای سوختی شیمیایی پیشنهاد شده است [45]. مدل مذکور در دو حالت متغیر با زمان و ثابت نسبت به زمان ارائه شده است. طبق نتایج این مدل، واکنشهای موجود در کاتد، مهمترین عامل در محدود نمودن کارکرد پیل سوختی میکروبی است. علاوه بر این، کاهش در دبی خوراک سوبسترا باعث کاهش سطح جریان تولیدی میگردد. همچنین شبیهسازی متغیر با زمان مشخض میکند که تغییر دورهای دبی خوراک باعث افزایش توان خروجی و بهبود کارکرد پیل میشود.
پینتو و همکاران نیز در سال 2010 مدلی را با در نظر گرفتن دو گونه میکروبی آند دوست و متانزا ارائه نمودند [46]. مدل ارائه شده توسط آنها در واقع نسخه ساده شده مدل پیسیورنو و همکاران (2007) [40] میباشد. در این مطالعه اثر مقاومت الکتریکی خارجی و بارگذاری آلی روی توان خروجی پیل و کارکرد درازمدت آن مورد بررسی قرار گرفته است.
در صورت کارکرد پیل با مقاومت بالای الکتریکی و دبی بالای مواد آلی، علاوه بر کاهش توان خروجی پیل، رشد متانزاها نیز تسریع شده و استات بیشتری به متان تبدیل میگردد. در صورت کاهش بیش از حد مقاومت الکتریکی خارجی (به مقادیر کمتر از مقاومت داخلی پیل) برای حمایت از رشد میکروارگانیسمهای آند دوست، توان خروجی پیل کاهش مییابد، لذا برای دستیابی به توان خروجی بیشتر و کسر بالای میکروارگانیسمهای مولد الکترون، بایستی مقاومت الکتریکی خارجی به صورت دورهای تنظیم گردد تا از تکثیر و ازدیاد متانزاها جلوگیری شود [46].
2-4 تاریخچه الکتروسنتز میکروبی
در سال 1990 آقای رینر عمد و برنارد اسکینک، دومنبع انرژی گلوکز و L- لاکتات را برای تولید پروپیونات مورد بررسی قرار دادند. در مطالعات قبلی از تخمیر گلوکز استات تولید میشد ولی در این مطالعه بازده تولید پروپیونات از دو منبع انرژی مختلف مورد بررسی قرار گرفت. در انجام این فرآیند 2و6 دیسولفید اسید به عنوان واسطه مورد استفاده قرار گرفت. با گلوکز به عنوان سوبسترا، 90% پروپیونات و با L- لاکتات به عنوان منبع انرژی 6/68 % پروپیونات در طول رشد لگاریتمی در حضور 2و6 دیسولفید اسید به عنوان واسطه تولید شد [47].
در سال 1999 آقای پارک و همکاران قرمز خنثی کاهش یافته الکتریکی را به عنوان تنها منبع کاهش قدرت برای رشد و متابولیسم محیط کشت خالص و مخلوط باکتریهای مصرف کننده هیدروژن در یک سیستم بیوراکتور الکتروشیمیایی جدید مورد استفاده قرار دادند. NR کاهش یافته الکتریکی جایگزین هیدروژن به عنوان تنها منبع الکترون دهنده برای رشد و تولید متان از CO2 میشود [48].
در سال 2001 آقای شین و همکاران به تولید 6-برومو2-تترالول با استفاده از مخمر Trichosporon capitatum که توسط تولید جریان واسطه برانگیخته میشد، پرداختند [49].
در سال 2004 آقای جرجی و همکاران انتقال الکترون مستقیم از کاتد به Geobacter spp.را مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه بیوفیلم اتصال یافته به الکترود باعث کاهش فومارات به سوکسینات میشود [49].
در سال 2008، آقای شوآن چنگ و همکاران به مطالعه بر روی تبدیل بیولوژیکی مستقیم جریان الکتریکی به متان با استفاده از الکترومتانوژنیزها پرداختند. آنها نشان دادند که متان میتواند به طور مستقیم با استفاده از یک بیوکاند شامل میکروارگانیسمهای متانوژن در یک سیستم الکتروشیمیایی (آند غیربیولوژیکی ) یا یک سلول الکترولیز میکروبی (آند بیولوژیکی ) توسط فرآیندی که الکترومتانوژنیز نامیده میشود، تولید شود. در یک مجموعه پتانسیل کمتر از V 7/0-، دیاکسید کربن با استفاده از یک راکتور الکتروشیمیایی دو محفظهای شامل یک آند غیر بیولوژیکی، یک بیوکاتد بدون حضور یک کاتالیزور فلزی باارزش به متان کاهیده شد. اندازه گیریهای الکتروشیمیایی با استفاده از ولتامتری رویش خطی نشان دادند که بیوکاتد در مقایسه با یک کاتد کربنی ساده که فقط میتواند مقدار کمی گاز هیدروژن تولید کند، به طور قابل ملاحظهای دانسیته جریان را افزایش میدهد. افزایش دانسیته جریان و نرخ بسیار پایین تولید هیدروژن با استفاده از یک کاتد ساده، مکانیسم تولید متان به طور مستقیم از جریان و نه از گاز هیدروژن را تأیید میکند. نتایج به دست آمده از این پژوهش نشان میدهد که الکترومتانوژنیزها میتوانند برای تبدیل جریان الکتریکی تولید شده از منابع انرژی تجدیدپذیر (مانند باد، خورشید یا بیومس) به بیوسوخت (متان) به عنوان روشی برای جذب دیاکسید کربن مورد استفاده قرار گیرند [50].
آقای رنه و همکاران در سال 2008 به بررسی و تحقیق در مورد انتقال بیوفیلمهای آندی به بیوفیلمهای کاتدی برای تولید هیدروژن یا متان پرداختند. این مقاله برای اولین بار به توصیف یک بیوکاتد میکروبی برای تولید هیدروژن که بر مبنای یک انتخاب طبیعی محیط کشت مخلوط الکتروشیمیایی میکروارگانیسمهای فعال میباشد، پرداخته است. این عمل از طریق یک روش راه اندازی بیوکاتد سه فازی به دست آمده است که به طور مؤثری یک بیوآند استات و هیدروژن اکسید شده، به یک بیوکاتد تولید کننده هیدروژن با استفاده از معکوس کردن تقارن الکترود تبدیل شده است. بیوکاتد میکروبی که از این روش به دست آمد، دانسیته جریانی در حدود A/m2 2/1- در پتانسیل V 7/0- داشت که این مقدار 6/3 بزرگتر از الکترود کنترل بود (A/m2 3/0-). به علاوه بیوکاتد میکروبی در حدود /day حجم مایع کاتد m3 H2/m3 63/0 در یک هیدروژن کاتدی با بازدهی 49% در طول تستهای بازده هیدروژن تولید کرد، در حالیکه این مقدار هیدروژن تولیدی در الکترود کنترل برابر با /day حجم مایع کاتد m3 H2/m3 08/0 با بازدهی 25% بوده است [51].
در سال 2010 آقای نوین و همکاران به تولید آزمایشگاهی ترکیبات آلی چند کربنه خارج سلولی با استفاده از آب، دیاکسید کربن و جریان الکتریکی پرداختند. در این مطالعه از میکروارگانیسمهای استوژنیک Sporomusa ovata و الکترودهای گرافیت استفاده شد. این بیوفیلمهای رشد کننده بر روی سطح کاتد گرافیت، الکترونها و دیاکسید کربن را مصرف کرده و استات به همراه مقدار کمی 2- اگزوبوتیرات تولید مینماید. بالغ بر 85% از الکترونهای مصرف شده به محصول تبدیل شدند. این نتایج نشان میدهند که تولید میکروبی ترکیبات آلی چند کربنه از دیاکسید کربن و آب با الکتریسیته به عنوان منبع انرژی عملی است [31].
در ادامه مطالعه قبلی آقای نوین و همکاران در سال 2011 به بررسی توانایی و امکانپذیری رنج وسیعتری از میکروارگانیسمها برای انجام فرآیند تبدیل آب، دیاکسید کربن و جریان الکتریسیته به محصولات آلی چندکربنه خارج سلولی پرداختند. در این میان چند باکتری استوژنیک دیگر شامل دو گونه دیگر Sporpmusa، Clostridium ljungdahlii، Clostridium aceticum و Moorella thermoacetica با مصرف جریان، اسیدهای آلی تولید کردهاند. در کل، استات به عنوان محصول اصلی تولید شد، اما 2- اگزوبوتیرات و فومارات نیز تولید شدند. این نتایج طیف میکروارگانیسمهای شناخته شده توانا به الکتروسنتز جهت ارائه گزینههای متعدد برای بهینه سازی بیشتر از این روند را نشان میدهد [32].

مطلب مرتبط :   پایان نامه مزیت رقابتی پایدار، سرمایه های ساختاری

فصل سوم
بررسی معادلات و ساختار مدل