دانلود پایان نامه
در مطالعه حاضر از فرآیندهای درون سلولی صرف نظر کرده و تنها فرآیندهای انتقال الکترون در الکترود کاتد و درون بستر بیوفیلم هادی الکتریسیته مورد بررسی قرار میگیرد و همچنین فرض میشود که الکترون مورد نیاز از یک منبع خارجی تأمین میگردد.
غلظت گونه الکترون گیرنده نقش مستقیمی در تعیین سرعت فرآیندهای زیست شناختی دارد؛ از طرفی در پیل های سوختی میکروبی، بیوفیلم تشکیل شده روی سطح آند، الکترون های تولیدی را پذیرفته و پس از هدایت به سطح الکترود آند منتقل می کند.
در پیل های سوختی میکروبی معکوس، بیوفیلم تشکیل شده روی سطح کاتد، الکترون های انتقال یافته از آند را پذیرفته و به دی اکسید کربن به عنوان پذیرنده نهایی الکترون منتقل می کند.
بیان غلظت برای یک بیوفیلم رسانای الکتریسیته، بی معنی و بدون مفهوم فیزیکی به نظر می رسد؛ بنابراین بایستی از بیان دیگری غیر از غلظت برای تعیین اثر بیوفیلم در پذیرش الکترون استفاده نمود. از آن جا که پتانسیل الکتریکی نیروی محرک برای هدایت الکترونها در یک محیط رساناست، از مفهوم پتانسیل الکتریکی بدین منظور استفاده می شود. بنابراین پتانسیل الکتریکی مشابه غلظت می تواند بیانگر اثر بیوفیلم رسانا در پذیرش الکترون و تعیین سرعت فرآیند زیست شناختی باشد [30].
در فرآیندهای زیست شناختی برای توصیف سینتیک رشد باکتریها از معادله مونود استفاده می شود. از آن جا که سینتیک رشد باکتریها با سرعت مصرف سوبسترا دارای ارتباط مستقیم است، میتوان برای بیان وابستگی سرعت مصرف سوبسترا به غلظت آن نیز از این معادله استفاده نمود. همان گونه که اشاره شد، در پیل سوختی میکروبی معکوس، دی اکسید کربن سوبسترای باکتریهای رشد کننده بر روی الکترود کاتد میباشند.
شکل کلی این معادله به صورت زیر است [52]:
(3-1)
که در آن q سرعت ویژه مصرف سوبسترا (mmol S.mg X-1.day-1)، qmax حداکثر سرعت ویژه مصرف سوبسترا (mmol S.mg X-1.day-1)، φa جزء حجمی میکروبهای فعال (بدون بعد) و Sd غلظت الکترون دهنده (سوبسترا) (mmol.cm-3) میباشد. همچنین در غلظتی معادل Ksd سرعت مصرف سوبسترا 0.5qmaxφa خواهد شد.
پارامترهای qmax و Ksd جز عوامل تعیین کننده رفتار متقابل سوبسترا و جامعه میکروبی همراه آن میباشد و ضرایب سینتیکی معادله مونود به حساب میآیند. هر چه مقدار qmax بالاتر باشد، تمایل جامعه میکروبی برای مصرف سوبسترا بیشتر خواهد بود و همچنین سرعت رشد میکروبها نیز بالاتر میرود [5]. علاوه بر این مقدار پایینتر Ksd بیانگر این مطلب است که جامعه میکروبی در غلظتهای پایین سوبسترا قادر است آن را با سرعت بیشتری مصرف نماید.
در بخش کاتد پیل سوختی میکروبی معکوس، گونه الکترون دهنده، بیوفیلم رسانا و الکترون گیرنده که همان سوبسترا (دی اکسید کربن) است، در تعیین مصرف سوبسترا و به تبع آن سرعت تولید محصول (به عنوان مثال استات) نقش دارند. بنابراین معادله بالا را میتوان به شکل زیر تصحیح نمود تا اثر محدودکنندهی الکترون دهنده و الکترون گیرنده لحاظ شود [53؛54]:
(3-2)
که در آن Sa غلظت الکترون گیرنده (mmol.cm-3) و Ksa غلظت الکترون گیرنده به ازای سرعت نصف سرعت بیشینه (mmol.cm-3) است. در معادله (3-2)، که اصطلاحاً یک معادله نرخ دو حدی است، غلظت گونههای الکترون دهنده و الکترون گیرنده، نرخ مصرف سوبسترا را محدود مینمایند. اگر مکانیزم انتقال الکترون در بیوفیلم بر اساس مواد واسطه باشد، Sa بیانگر غلظت ماده واسط اکسید شده خواهد بود [29].
همان گونه که پیش از این نیز اشاره شد، در پیل سوختی میکروبی معکوس برای بیوفیلم دهنده الکترون به جای غلظت از پتانسیل الکتریکی استفاده میشود. به همین جهت غلظت Sd از طریق معادله نرنست به پتانسیل الکتریکی کاتد ارتباط پیدا کرده و اولین کسر در معادله (3-2) اصطلاحاً به جمله نرنست مونود تبدیل می گردد [30].
با توجه به مطالب ذکر شده، شکل نهایی معادله سرعت مصرف سوبسترا به صورت معادله (3-3) خواهد شد.
(3-3)
پرانتز اول در معادله (3-3) جمله نرنست- مونود نامیده میشود. در معادله (3-3)، η = EKA- Ecathod ، بیانگر پتانسیل الکتریکی )ولت( در نقاط مختلف بیوفیلم کاتدی، نسبت به EKA (V) است. EKA نیز مشابه KSa ، پتانسیلی است که به ازای آن سرعت مصرف سوبسترا معادل نصف سرعت بیشینه خواهد شد [30]. البته این در صورتی است که در معادله (3-3) ، تنها پتانسیل نسبی بیوفیلم محدود کننده باشد. لازم به ذکر است مقادیر پتانسیل الکتریکی نسبت به مقدار پتانسیل EKA سنجیده می شود.
F نشانگر ثابت فارادی (96485 کولن بر مول الکترون) ، R ثابت گازها (3145/8 ژول بر مول کلوین) و T دمای فرآیند (15/303کلوین) میباشند.
سرعت مصرف سوبسترا طبق معادله (3-3) توسط دو عامل غلظت سوبسترا و پتانسیل نسبی بیوفیلم محدود می شود. استفاده از معادله دو حدی (3-3) ، این امکان را فراهم می آورد تا بتوان اثر هر دو عامل غلظت سوبسترا و پتانسیل نسبی بیوفیلم را بر تولید محصول مورد بررسی قرار داد. با افزایش هر کدام از این دو عامل سرعت مصرف سوبسترا نیز افزایش یافته و در نهایت به یک مقدار حدی میل می کند. در صورتی که هر کدام از دو عامل فوق به اندازه کافی بزرگ و اشباع شود، عامل دیگر محدود کننده سرعت مصرف سوبسترا و لذا سرعت تولید محصول در R-MFC خواهد بود.
3-2-2 معادله سرعت پدیده خود-اکسایی میکروبهای فعال
زمانی که میکروارگانیسم ها، یک سوبسترا را برای تأمین انرژی و تکثیر خود اکسید می نمایند، در ابتدا بخشی از الکترون های تولید شده )مولد انرژی( به پذیرنده نهایی الکترون منتقل شده تا انرژی لازم برای تبدیل بخش دیگر الکترون ها (مولد سلول( به سلول های میکروبی جدید تأمین گردد [52].
در پیلهای سوختی میکروبی، الکترونهای مولد انرژی، بخشی از همان الکترونهای تولیدی هستند که پس از طی زنجیره تنفسی درون سلول باکتری از آنها خارج شده و در نهایت به سطح آند پیل رسیده و انرژی الکتریکی تولید میکنند. پس از تولید انرژی، محصولات نهایی واکنش شامل دی اکسید کربن تولید میشود. کسر دیگر الکترونها )مولد سلول(، صرف تکثیر باکتریهای فعال جدید میشوند و بنابراین مجموع کسر الکترونهای مولد انرژی و مولد سلول برابر با 1 خواهد بود؛ لذا میتوان گفت که سوبسترا بین دو هدف نهایی تولید انرژی و تکثیر باکتریها افراز میگردد (شکل 3-1).
در پیلهای سوختی میکروبی معکوس، الکترونهای مولد انرژی، بخشی از الکترونهایی هستند که پس از انتقال از آند (یا به عبارتی انتقال از منبع خارجی تولید کننده الکترون) به گیرنده نهایی الکترون در کاتد، یعنی دی اکسید کربن منتقل شده و محصول نهایی واکنش (مانند استات) تولید میشود و مولد سلول نیز صرف تکثیر باکتریهای فعال جدید میشوند. در اینجا نیز مجموع کسر الکترونهای مولد انرژی و مولد سلول برابر با 1 خواهد بود؛ لذا الکترون تولیدی از منبع خارجی بین دو هدف نهایی تولید محصول و تکثیر باکتریها تقسیم میگردد [52].

مطلب مرتبط :  

شکل 3-1 : نمایی از نحوه افرازش الکترونهای تولید شده از منبع خارجی، تولید انرژی، تکثیر سلولهای جدید فعال و سازوکارهای نابودی آنها [52].
همان گونه که ذکر شد، بیوفیلم بخشی از خود را مصرف نموده و میکروبهای فعال را اکسید مینماید. طی این واکنش اکسیداسیون، بخشی از میکروبهای فعال از بین رفته و جریانی از الکترونها ایجاد میشوند؛ البته این بخش از الکترونها سهم کمی از جریان الکتریکی نهایی را تشکیل میدهند . این پدیده تحت عنوان خود اکسایی بیوفیلم، با سرعت مشخصی صورت گرفته و توسط گونه الکترون گیرنده و الکترون دهنده )زیست توده فعال( محدود می شود [52]. بنابراین معادله سرعت پدیده خود اکسایی را به روش مشابه آنچه پیش از این ذکر شد، میتوان به صورت زیر بیان نمود[30]:
(3-4)