دانلود پایان نامه
تنوع جوامع میکروبی به کار رفته در پیلهای سوختی میکروبی، که تاکنون در مقیاس آزمایشگاهی مورد پژوهش قرار گرفتهاند، حضور گسترده و همه جانبه میکروبهای برون الکترونزا را در طبیعت نشان میدهد. پساب خام ]22 [، لجن فعال [23]، لجن بیهوازی متانزا [17]، لجنهای کف رودخانه [24] و آب دریا [25] همگی با موفقیت در پیل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گرفته و تولید برق نمودهاند. این امر نشانگر وجود این گونه میکروبی در جوامع مذکور بالاست.
در طی فرآیند اکسیداسیون، الکترونها از سوبسترا گرفته شده و با عبور از یک سری واکنشهای الکتروشیمیایی درون سلولی، که از آنها به عنوان زنجیره تنفسی سلول یاد میشود، به خارج از غشای سلولی منتقل میگردند. این زنجیره در شکل 1-5 نشان داده شده است.
هر چه پتانسیل کاهشی پذیرنده نهایی الکترون بالاتر باشد، میکروبها انرژی بیشتری را در زنجیره تنفسی خود به دست میآورند و لذا انرژی کمتری برای بازیابی باقی خواهد ماند.
در تنفس هوازی با حضور اکسیژن، میکروبها بیشترین میزان انرژی را دریافت میکنند. در نبود اکسیژن، گونههای بیهوازی از ترکیبات آلی و معدنی دیگر به عنوان الکترون گیرنده نهایی استفاده میکنند. برای مثال در فرآیند متانزایی، کربنات این نقش را ایفا میکند [26]. در پیلهای سوختی میکروبی نیز پس از انتقال الکترون به خارج از سلول، سطح آند پیل و یا مواد واسط نقش پذیرنده الکترون را بر عهده خواهند داشت ( به بخش چگونگی انتقال الکترونها از سطح میکروب به سطح آند پیل سوختی مراجعه شود). بنابراین با توجه به مطالب فوق لازم است محفظه آندی پیل سوختی میکروبی تا حد امکان در شرایط بیهوازی حفظ شود تا از انتقال الکترون تولیدی به پذیرندههایی غیر از سطح آند جلوگیری شده و میزان جذب انرژی توسط میکروارگانیسمها کاهش یابد.

شکل 1-5: زنجیره تنفسی درون سلول میکروبها و پتانسیل کاهشی متناظر با هر مرحله ]2 [
جوامع میکروبی میتوانند به صورت خالص و آمیخته (مخلوط چندگانه) وجود داشته باشند. زمانی که یک پیل سوختی میکروبی توسط لجن بیهوازی و یا لایهای دریایی غنی سازی میکروبی میشود، با جوامع چندگانه آمیخته مواجه خواهیم بود [16]. در این گونه جوامع، مجموعه پیچیدهای از گونههای مختلف میکروبی وجود دارند.
اگرچه رکن اصلی بیوفیلمها در پیلهای سوختی میکروبی، متشکل از میکروبهای برون الکترونزا است ولی به علت وجود تنوع بالا در جامعه میکروبی موجود [27]، فرآیندهای سوخت و ساز میکروبی دیگری شامل هیدرولیز و تخمیر نیز میتوانند در آنها وجود داشته باشند. همانگونه که در بخش 1-2 نیز گفته شد، فرآیندهای هیدرولیز و تخمیر مواد پلیمری پیچیده را به محصولاتی با ساختار سادهتر مانند استات، که یک الکترون دهنده مطلوب برای برون الکترونزاهاست، میشکنند؛ لذا اگر یک پیل سوختی میکروبی با یک سوبسترای تخمیری مانند سلولز تغذیه شود، بخشی از باکتریهای جامعه میکروبی آمیخته آن را گونههای تخمیر کننده تشکیل میدهند. در این حالت و صورت استفاده از یک گونه میکروبی خالص برون الکترونزا (مانند ژئوباکتر سولفورریداسنز )، تجزیه سوبسترا و تولید جریان الکتریکی مشاهده نمیگردد. در چنین شرایطی گونه برون الکترونزا تنها با حضور یک گونه تخمیر کننده، قادر خواهد بود جریان برق را در پیل ایجاد نماید [5].
چگونگی انتقال الکترونها از سطح میکروب به سطح آند پیل سوختی
چگونگی انتقال الکترونها از سطح میکروبها به سطح آند پیل سوختی یکی از مهمترین ساز و کارهای موجود در پیلهای سوختی میکروبی است و نقش تعیین کنندهای را در ساختار مدل توصیفی ایفا مینماید.
پس از اکسید شدن سوبسترا و تولید الکترون طی فرآیندهای سوخت و ساز درون سلولی و انتقال الکترون به روی سطح میکروب، الکترونها توسط فرآیندهایی که کاملاً شناخته شده نیستند، به روی سطح آند منتقل میشوند. تاکنون برای این انتقال الکترون چندین روش بررسی و پیشنهاد شده است، که در دو دسته کلی ذیل قرار میگیرند:
انتقال بر پایه مواد واسط درونزا و برونزا، تحت میدان غلظت
انتقال بر پایه هدایت الکترونها ، تحت میدان پتانسیل الکتریکی
در روش اول یک سری مواد واسط، عمل انتقال الکترون را از سطح خارجی میکروب به سطح جامد آند انجام میدهند. این ماده واسط میتواند به صورت خارجی به سامانه اضافه شود و یا توسط خود باکتریها تولید گردد.
ماده واسط طی یک واکنش کاهشی، الکترون روی سطح میکروب را دریافت نموده و به سوی سطح الکترود آند نفوذ مینماید. پس از رسیدن به سطح جامد آند، ماده واسط اکسید شده و الکترون خود را به آند منتقل میکند. سپس ماده واسط اکسید شده دوباره به سوی سطح میکروبها نفوذ نموده و عمل انتقال الکترون را تکرار میکند [26].
علاوه بر مواد واسطی که از خارج پیل به سامانه اضافه میگردد، خود باکتریهای موجود نیز میتوانند موادی را جهت تسهیل انتقال الکترون از داخل سلول خود به سطح آند ایجاد و تولید نمایند. نمایی از این دو ساز و کار در شکل 1-6 نمایش داده شده است.
در روش سمت راست شکل 1-6، ماده واسط خارجی عمل انتقال الکترون را از سطح میکروب به روی سطح آند انجام میدهد. ولی در روش سمت چپ تصویر، باکتری با تولید یک ماده واسط داخلی، عمل انتقال الکترون را از داخل سلول خود به روی سطح جامد آند طی واکنشهای افزایش/ کاهش انجام میدهد.
گونه میکروبی “ای کولای ” جهت انتقال الکترون به مواد واسط برونزا نیاز داشته و گونه میکروبی “سودو ایروجینوسا ” با تولید مواد واسط درونزا این عمل را انجام میدهد [16].
طبیعت سمی مواد واسط برونزا برای میکروبهای موجود، گران بودن و مشکلات زیست محیطی، استفاده از آنها را در پیل سوختی میکروبی تحت شعاع قرار میدهد [26].
لازم به ذکر است به علت سازگاری مواد واسط درونزا با طبیعت زیستی باکتریها، مشکلات مواد واسط برونزا که در بالا اشاره شد، وجود نخواهد داشت. این مواد قابلیت اکسایش و کاهش چند باره بین سطح میکروبها و سطح جامد آند را دارا میباشند. تولید مقدار کمی از این ترکیبات امکان تخلیه الکترونها با سرعتهای بالاتر را برای باکتریها فراهم میآورد. این امر در حالت جریان منقطع بسیار کارآمد بوده و باعث افزایش سطح جریان میگردد؛ ولی در جریان پیوسته برخلاف جریان منقطع، این روش انتقال الکترون یک مشکل به حساب میآید؛ زیرا با شسته شدن مواد واسط درونزا توسط جریان پیوسته انتقال الکترونها به سمت سطح جامد آند مختل شده، سطح جریان الکتریکی تولیدی کاهش یافته و اتلاف پتانسیل برای انتقال الکترونها افزایش مییابد [26]. نفوذ ماده واسط اکسید شده و کاهش یافته، به دلیل وجود میدان غلظت آنها در بیوفیلم انجام میگیرد.

مطلب مرتبط :   تشکیک، ، کثرت، حقیقت، آن‌ها، نظریه‌ی

شکل 1-6: انتقال الکترون از سطح خارجی میکروب به سطح آند توسط مواد واسط درونزا و برونزا [26]
پس از شناخته شدن روشهای انتقال الکترون بر پایه مواد واسط، روشهای دیگری نیز بدون حضور این مواد در سالهای اخیر یافت شد. بوند و لاولی (2003) [14] و چادهوری و لاولی (2003) [15] به ترتیب با به کار گیری گونه های “ژئوباکتر سولفورریداسنز” و “رودوفراکس فریریداسنز ” در یک پیل سوختی میکروبی منقطع و با تخلیه و تغذیه مجدد محفظه آندی، دربافتند که سطح جریان الکتریکی به مقادیر پیشین خود باز میگردد. این امر نشان میدهد، انتقال الکترون مستقل از وجود ماده خاصی میباشد؛ زیرا در تخلیه و تغذیه مجدد آند، مواد واسط از آن خارج میگردند. این امر در اثر انتقال الکترونها بر پایه هدایت الکتریکی، در یک محیط رسانای الکتریسیته میباشد که در دسته دوم روشهای انتقال الکترون قرار میگیرد.
در این جا، عمل انتقال الکترون از سطح میکروب به سطح جامد آند بدون حضور هیچ گونه ماده واسطی انجام میگیرد. به این روش، انتقال مستقیم الکترون گفته میشود. باکتریهایی که از این روش انتقال الکترون استفاده مینمایند، بدون هیچ گونه واسطهای، از سطح آند به عنوان پذیرنده نهایی الکترون استفاده میکنند؛ لذا میتوان از آنها به عنوان “باکتریهای با تنفس آندی ” یاد نمود چرا که در زنجیره تنفسی آنها، آند نقش الکترون گیرنده نهایی را بازی مینماید [5]. به طور طبیعی، جامعه میکروبی متشکل از باکتریهای با تنفس آندی به شکل بیوفیلم چسبیده به سطح آند تشکیل میشود [14؛15؛22]. این باکتریها لزوماً زیر مجموعهای از باکتریهای برون الکترونزا، مانند گونههای “ژئوباکتر” و “شوانلا” میباشند.
انتقال مستقیم الکترونها به آند توسط دو سازوکار تماس مستقیم میکروب با سطح و نانو سیمها انجام میگیرد که در ادامه بدانها پرداخته میشود.