دانلود پایان نامه
در سازوکار نخست که نمایی از آن در شکل 1-7 مشاهده میشود، الکترونها از طریق تماس مستقیم فیزیکی بین غشای میکروب و سطح جامد، به الکترود آند پیل سوختی منقل میگردد. برای انتقال مستقیم الکترونها از این طریق، لازم است که تماس مستقیم بین سلول میکروبها و سطح الکترود آند برقرار شود و لذا بایستی میکروبهای موجود در اولین لایه بیوفیلم، باکتریهای فعال برون الکترونزا باشند.
اخیراً مشاهده شده است که برخی از گونههای میکروبی برون الکترونزا از خانوادههای “ژئوباکتر” و “شوانلا” میتوانند نانوسیمهای مولکولی رسانای الکتریسیته تولید نمایند ولذا بدین وسیله، امکان دسترسی و استفاده از سطح آند برای میکروارگانیسمهای موجود در لایههای دورتر بیوفیلم فراهم میگردد [20؛ 28؛ 29].
نمایی ساده از این فرآیند در شکل 1-8 به تصویر کشیده شده است. همانگونه که در شکل مشخص است با اتصال یک نانوسیم مولکولی بین سطح میکروب و سطح آند، عمل انتقال الکترون بین این دو صورت میپذیرد. بنابراین باکتریهایی که در تماس مستقیم با سطح جامد آند نیستند، نیز میتوانند الکترون تولیدی را از این طریق به آند پیل سوختی برسانند. وجود این نانوسیمها امکان تشکیل بیوفیلمهای فعال ضخیمتر را فراهم آورده و در نهایت باعث بهبود عملکرد آند میگردد [26].

شکل 1-7: انتقال مستقیم الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند با تماس مستقیم فیزیکی بین آنها [26].
تصویر دو گونه از خانوادههای میکروبی “ژئوباکتر” و “شوانلا” و نانوسیمهای تولید شده توسط آنها در تصاویری در شکل 1-9 مشاهده میگردد. این دو گونه قادر به استفاده از سوبستراهای پیچیده نیستند و به سوبستراهای سادهای مانند استات و بوتیرات محدود میگردند. همانگونه که پیش از این نیز ذکر شد، برای استفاده از الکترون دهندههای پیچیده به گونههای تخمیر کننده نیز نیاز است.

شکل 1-8: انتقال الکترون از سطح سلول میکروب به سطح آند توسط نانوسیم رسانا [26].
در انتقال مستقیم الکترونها از سطح باکتریها به سطح آند، به نظر میرسد بیوفیلم، خود جزیی از سطح توسعه یافته آند باشد. زیرا سوبسترا در حفرههای آن اکسید شده و الکترون مستقیماً به سطح آند منتقل میگردد؛ لذا میتوان از بیوفیلم تشکیل شده با عنوان “بیوفیلم آندی” یاد کرد [30].
در روشهای انتقال الکترون بر پایه هدایت، الکترونهای تحت وجود میدان پتانسیل الکتریکی در محیط رسانای الکتریسیته جا به جا میشوند؛ بنابراین پتانسیل الکتریکی مانند غلظت الکترون گیرنده، نقش نیروی محرک را برای عمل ایفا میکند [30].

الف ب
شکل 1-9: گونه میکروبی از خانواده (الف) ژئوباکتر (ب) شوانلا و نانوسیمهای ایجاد شده [13].
پیلهای سوختی میکروبی معکوس
در کنار پیلهای سوختی میکروبی، نوع دیگری از پیلهای سوختی تحت عنوان پیلهای سوختی میکروبی معکوس وجود دارند. پیلهای سوختی میکروبی معکوس دقیقاً عکس پیلهای سوختی میکروبی عمل میکنند. باکتریها، آب و دیاکسید کربن را با استفاده از الکترونهایی که در آند یا یک منبع الکتریکی خارجی به کاتد منتقل میشوند، در فرآیندی شبیه به فتوسنتز به ترکیبات آلی تبدیل میکنند. این ترکیبات آلی خود میتوانند به سوخت تبدیل شوند. الکتریسیته موردنیاز برای تولید ترکیبات آلی در پیلهای سوختی میکروبی معکوس را میتوان از انرژی خورشیدی و توسط سلولهای خورشیدی تأمین کرد. در کنار بحرانهای موجود در مورد انرژی و از طرفی تأثیر مخرب دیاکسید کربن بر محیط زیست و همچنین رو به اتمام بودن سوختهای گازی و فسیلی، تولید سوخت از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید اهمیت مییابد، چرا که دیاکسید کربن را به محیط زیست وارد نکرده و از اثرات مخرب آن جلوگیری میشود. از جذاب ترین کاربردهای بالقوه تأمین انرژی، الکتروسنتز میکروبی است، فرآیندی که الکتریسیته را به عنوان منبع انرژی برای احیاء میکروبی دیاکسید کربن به ترکیبات آلی مصرف میکند. احیاء میکروبی دیاکسید کربن با آزادسازی محصولات چند کربنه خارج سلولی ارجحترین شکل الکتروسنتزی احیاء میکروبی است چون اغلب محصولات مطلوب بیش از یک کربن خواهند داشت و آزادسازی محصولات خارج سلولی از سلولهای متصل به الکترودها، بازیابی محصول را ساده میکند. تولید سوخت حمل و نقل مایع با استفاده از الکتروسنتز میکروبی دارای جذابیت خاصی است. این جذابیت به این دلیل است که تولید الکتریسیته با استفاده از تکنولوژیهای تجدیدپذیر متداول، همیشه همگام با تقاضا نیست و از طرفی ذخیره انرژی برق آسان نیست. تولید سوخت در مقیاس بزرگ میتواند انرژی الکتریکی را به آسانی به پیوندهای کووالانسی کربن تبدیل کند که مجاز به ذخیره و تحویل بر اساس تقاضا در زیرساختهای موجود میباشند [31؛ 32].
در جدول 1-1 اختلاف بین واکنشهای انجام شده در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس آورده شده است. همچنین در شکل 1-10 شمایی از این تفاوت مشاهده میشود.
جدول 1-1: تفاوت بین واکنشهای انجام شده در بخش آند و کاتد پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس
پیل سوختی میکروبی معکوس پیل سوختی میکروبی
واکنش آند
واکنش کاتد

مطلب مرتبط :   دانلود پایان نامه پیاده سازی مدیریت دانش، نظام فناوری اطلاعات

شکل1- 10: شمایی از تفاوت بین پیل سوختی میکروبی و پیل سوختی میکروبی معکوس
در پیلهای سوختی میکروبی معکوس برخلاف پیلهای سوختی میکروبی که بیوفیلم بر روی آند شکل میگرفت، بیوفیلم بر روی کاتد شکل میگیرد. کاتد میکروبی که باکتریها را به عنوان بیوکاتالیست برای پذیرفتن الکترونها از زیر لایه کاتدی استفاده میکند، مسیر متفاوتی را عرضه میکند که از استفاده از کاتالیستهای دیگر برای احیاء اکسیژن اجتناب میکند، بدین وسیله امکانپذیری اقتصادی و دوستدار محیط زیست بودن سیستمهای MFC را افزایش میدهد. علاوه بر این بیوکاتدها قادر به استفاده از پذیرندگان الکترون جایگزین هستند که میتوانند استفاده از MFC ها و فرصتهای بالقوه کنونی برای تبدیل کاتالیستی میکروبی جریان الکتریکی به محصولات مختلف با ارزش را گسترش دهند[33].
مکانسیمهای انتقال الکترون
در حالیکه تحقیقات بسیار زیادی درباره مکانیسم انتقال الکترون در بیوآند MFC ها انجام گرفته است، تنها اطلاعات محدودی بر روی مکانیسم انتقال الکترون در بیوکاتدها موجود است. امروزه دوتا از مهمترین مکانیسمها، یعنی انتقال مستقیم و غیر مستقیم الکترونها گزارش شدهاند. انتقال مستقیم الکترون نیاز به یک تماس فیزیکی بین غشاء سلول باکتریایی و سطح الکترود کاتد دارد و الکترونها از الکترود به طور مستقیم به وسیله اکسایش- کاهش ماکرومولکولهای غشاء خارجی همچون سیتوکرومها به دست میآیند. این مکانیسم انتقال الکترون با گونههای ژئوباکتر یا محیط کشتهای مخلوط با استفاده از فومارات، نیترات، تتراکلرو اتن، دیاکسید کربن، اکسیژن و کروم (VI) به عنوان پذیرنده الکترون گزارش شده است. علاوه بر سیستمهای کشت خالص، انتقال الکترون مستقیم در بیوکاتدهای محیط کشت مخلوط نیز نشان داده شدهاند. در حالیکه بعضی از باکتریها انتقال الکترون را به صورت مستقیم انجام میدهند، بعضی از میکروارگانیسمها میتوانند ترکیبات فعال اکسایش- کاهش را برای انجام انتقال الکترون به صورت غیر مستقیم با الکترودها ترشح کنند . پیشنهاد شده است که در MFC ها با جمعیت میکروبی که به طور طبیعی تشکیل میشود، مواد خارج سلولی همیشه درگیر انتقال الکترون بین میکروبها و الکترودها هستند. بنابراین در چنین نمونههایی، از آنجا که مواد الکترود کاتدی میتواند برای افزایش بازدهی فرآیند مبنی بر چنین اطلاعاتی بهینه شود، یافتن خواص واسطههای الکترونی موجود در بیوکاتدها ( به عنوان مثال، ساختار شیمیایی، نقطه میانی پتانسیل، حلالیت در آب، پایداری و سمیت) مهم است. میکروارگانیسمها همچنین میتوانند علاوه بر ترکیبات فعال اکسایش- کاهش خود ترشح کننده، الکترونها را از یک الکترود حالت جامد از طریق تولید کاتدی هیدروژن یا کاهش واسطههای اضافه شده خارجی مختلف بپذیرد. از طرفی واسطههای خارجی که برای انتقال الکترون بین الکترود کاتد و میکروارگانیسمها اضافه میشوند، هزینه اضافی برای انجام عملیات را به همراه دارند، بسیاری از این واسطهها سمی هستند، عمر کوتاهی دارند و ناپایدار میباشند. این معایب مانع مهمی برای امکان کاربرد بیوکاتدها با استفاده از واسطههای اضافی برای انتقال الکترون خارج سلولی به وجود میآورند[33].
در حال حاضر اطلاعات کمی درباره اتصال بعدی بین الکترونهای مشتق شده از الکترودها و پذیرندگان نهایی الکترون موجود است. حتی برای اکسیژن که به طور وسیع به عنوان یک پذیرنده الکترون مورد بررسی قرار گرفته است، به خاطر پایداری و پتانسیل اکسایش- کاهش بالا، هنوز اطلاعات کافی از اتصالات آن در دسترس نیست[33].