Bodemmicrobiële brandstofcellen (SMFC's): het nieuwe ontwerp kan het milieu en de boeren ten goede komen 

De bodemmicrobiële brandstof Cellen (SMFC’s) gebruiken van nature voorkomende bacteriën in de bodem om elektriciteit op te wekken. Als een gedecentraliseerde bron van hernieuwbare energie voor de lange termijn zouden de SMFC’s voortdurend kunnen worden ingezet voor real-time monitoring van verschillende omgevingsomstandigheden en kunnen ze ook bijdragen aan de groei van precisietechnologie. landbouw en slimme steden. Ondanks dat ze al meer dan een eeuw bestaan, is de praktische toepassing van SMFC's vrijwel onbestaande vanwege de inconsistentie in de stroomproductie. Momenteel is er geen SMFC die consistent elektriciteit kan opwekken buiten waterige omstandigheden met een hoog vochtgehalte. In een recent onderzoek hebben de onderzoekers verschillende ontwerpversies gemaakt en vergeleken en ontdekten ze dat het verticale celontwerp de prestaties verbetert en SMFC's veerkrachtiger maakt tegen veranderingen in bodemvocht.   

microbiële brandstofcellen (MFC's) zijn bioreactoren die elektriciteit produceren door de energie om te zetten in de chemische bindingen van organisch verbindingen omgezet in elektrische energie via biokatalyse door microben. De elektronen die vrijkomen in het anodecompartiment door bacteriële oxidatie van het substraat worden overgebracht naar de kathode waar ze worden gecombineerd met zuurstof- en waterstofionen.  

De biochemische reacties onder aërobe omstandigheden, bijvoorbeeld voor acetaat als substraat, zijn: 

oxidatie-halfreactie op de anode 

CH₃COO^- + 3H₂O → CO₂ +HCO₃^- + 8H⁺ + 8e^-  

reductiehalfreactie op de kathode 

2 O ₂ + 8H ⁺ + 8 e ^-   → 4H ₂ O 

In een anaerobe omgeving kunnen MFC's bioafval gebruiken als substraat om elektriciteit te produceren. 

MFC’s hebben het potentieel om te dienen als oplossing voor de milieuproblemen van duurzame energie, opwarming van de aarde en beheer van bioafval. Er zijn goede argumenten voor toepassing in gebieden waar gewone chemische batterijen en zonnepanelen niet aan de verwachtingen voldoen, zoals in groene infrastructuur, graslanden, wetlands of ondergronds. In deze gebieden werken zonnepanelen 's nachts niet en worden ze meestal bedekt door vuil of vegetatie die chemicaliën bevatten batterijen uitlekken in het milieu. De bodemmicrobiële brandstof Cellen (SMFC's) zijn een duurzame energiebron in gebieden in de landbouw, graslanden, bossen en woestenijen om apparaten met een laag energieverbruik van stroom te voorzien.  

De Soil Microbiële Brandstofcellen (SMFC’s) gebruiken van nature voorkomende bacteriën in de bodem om elektriciteit op te wekken. Onder optimale omstandigheden kunnen SMFC's tot 200 μW vermogen produceren met een spanning van 731 mV. Als een gedecentraliseerde bron van hernieuwbare energie voor de lange termijn zouden de SMFC's voortdurend kunnen worden ingezet voor het realtime monitoren van verschillende omgevingsomstandigheden en het sturen van beleid. Deze kunnen ook bijdragen aan de groei van slimme steden boerderijen.  

Ondanks dat ze al meer dan een eeuw bestaan, is de praktische toepassing van SMFC's op grondniveau echter zeer beperkt. Momenteel is er geen SMFC die consistent elektriciteit kan opwekken buiten waterige omstandigheden met een hoog vochtgehalte. De inconsistentie in het geleverde vermogen wordt toegeschreven aan verschillen in omgevingsomstandigheden, bodemvocht, grondsoorten, microben die de bodem bewonen enz. Maar veranderingen in het bodemvocht hebben maximale invloed op de consistentie van het geleverde vermogen. De cellen moeten voldoende gehydrateerd en zuurstofrijk blijven voor een consistente vermogensafgifte, wat een moeilijk probleem kan zijn als ze ondergronds in droog vuil worden begraven.   

Het verticale celontwerp verbetert de prestaties en maakt SMFC's beter bestand tegen veranderingen in bodemvocht.  

Een recente studie (waarbij een twee jaar durend iteratief ontwerpproces betrokken was met een gecombineerde negen maanden aan SMFC-implementatiegegevens) heeft celontwerpen systematisch getest om tot algemene ontwerprichtlijnen te komen. Het onderzoeksteam heeft vier verschillende versies gemaakt en vergeleken, waaronder het traditionele ontwerp waarbij zowel de kathode als de anode evenwijdig aan elkaar zijn. Het verticale ontwerp (versie 2: anode-oriëntatie horizontaal & kathode-oriëntatie loodrecht) van de brandstofcel bleek het beste te presteren. Het werkte goed in het vochtbereik van overstroomde tot enigszins droge toestand.  

Bij verticaal ontwerp wordt de anode (gemaakt van koolstof om de elektronen op te vangen die vrijkomen door de bacteriën) begraven in de vochtige grond, loodrecht op het grondoppervlak, terwijl de kathode (gemaakt van een inert, geleidend metaal) verticaal bovenop de anode horizontaal op de grond zit. niveau waar zuurstof direct beschikbaar is voor voltooiing van de reductiehalfreactie.  

Het uitgangsvermogen voor het ontwerp was aanzienlijk hoger gedurende de hele tijd dat de cel werd overspoeld met water. Het werkte goed van volledig onder water tot enigszins droog (41% water per volume), maar het had nog steeds een hoog volumetrisch watergehalte (VWC) van 41% om actief te blijven.  

Deze studie behandelt de vraag met betrekking tot het ontwerpaspect van SMFC's met het oog op het verbeteren van de consistentie en veerkracht tegen vochtveranderingen. Omdat de auteurs alle ontwerpen, tutorials en simulatietools aan het publiek hebben vrijgegeven om te gebruiken en erop voort te bouwen, zou dit zich hopelijk in de nabije toekomst moeten vertalen naar bredere toepassingen op diverse gebieden, zoals in de precisielandbouw.  

*** 

Referenties:  

1. Vishwanathan AS, 2021. Microbiële brandstofcellen: een uitgebreid overzicht voor beginners. 3 Biotechnologie. 2021 mei; 11(5): 248. Online gepubliceerd op 01 mei 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13205-021-02802-y 

2. Tien B., c.s. 2024. Bodemaangedreven computergebruik: de ingenieursgids voor praktisch bodemmicrobieel brandstofcelontwerp. Gepubliceerd: 12 januari 2024. Proceedings van de ACM over interactieve, mobiele, draagbare en alomtegenwoordige technologieën. Deel 7, nummer 4Artikelnr.: 196pp 1–40. DOI: https://doi.org/10.1145/3631410 

3. Noordwestelijke Universiteit. Nieuws-Vuilaangedreven brandstofcel werkt voor altijd. Geplaatst op 12 januari 2024. Verkrijgbaar bij https://news.northwestern.edu/stories/2024/01/dirt-powered-fuel-cell-runs-forever/ 

***