Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe w procesie oczyszczania wody i produkcji wodoru

Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe w procesie oczyszczania wody i produkcji wodoru

Używając wspomaganych elektrycznie mikrobiologicznych ogniw paliwowych (ang. MFC), naukowcy z Pennsylvania State University oraz korporacji Ion Power opracowali pierwszy beztlenowy proces, pozwalający na wytwarzanie dużej ilości wodoru. Badacze sprawili, że bakterie produkowały cztery razy więcej wodoru, niż ma to miejsce podczas klasycznej fermentacji biomasy.

Bruce Logan, wynalazca nowych ogniw paliwowych powiedział, że „w przeciwieństwie do zwykłej fermentacji, procesy zachodzące w tego typu ogniwach nie są ograniczone przez stosowanie wyłącznie biomasy pochodzenia węglowodanowego. Teoretycznie, za pomocą naszych MFC można uzyskać znaczną ilość wodoru z każdego rodzaju materii organicznej, zdolnej do biodegradacji”.
Przetwarzając odpady ludzkie, rolnicze czy ścieki przemysłowe uzyskuje się wodór, który może posłużyć jako paliwo do ogniw wodorowych wytwarzających elektryczność. Ta odnawialna forma produkcji energii może przyczynić się do zrównoważenia rzeczywistych kosztów oczyszczania ścieków, jako że produkcja biomasy jest w chwili obecnej niewystarczająca by podtrzymać światową gospodarkę wodorową. W przypadku państw zdolnych do stosowania wodoru jako źródła energii może jednocześnie przyczynić się do rozpowszechnienia tego paliwa.

W dokumencie opisującym zasadę działania ogniwa, naukowcy wyjaśniają ograniczenia klasycznego procesu fermentacji. Zazwyczaj w wyniku rozkładu węglowodanów przy udziale bakterii, otrzymywana jest pewna ilość wodoru oraz mieszanka innych, ‘ubocznych’ produktów reakcji, takich jak kwas masłowy czy octowy. Zjawisko to nazwane zostało mianem „bariery fermentacji”, ponieważ wodór otrzymywany jest w ograniczonej ilości, wynikającej z możliwości przetwórczych bakterii. Pokonanie bariery możliwe jest dzięki stymulacji drobnoustrojów niewielkimi porcjami elektryczności o napięciu rzędu 0.25 V. W wyniku tego zabiegu uzyskuje się dodatkową ilość wodoru i dwutlenku węgla pochodzących z rozkładu produktów ubocznych klasycznego procesu fermentacji.

Bakterie, trawiąc biomasę, przenoszą elektrony do anody i uwalniają protony - atomy wodoru pozbawione elektronów, które przedostają się do roztworu. Dzięki występowaniu napięcia pomiędzy elektrodami, elektrony z anody migrują poprzez przewód do katody, gdzie w wyniku reakcji elektrochemicznej łączą się z protonami, tworząc w ten sposób gaz wodorowy.
„Tego samego ogniwa używamy również do oczyszczania ścieków i produkcji elektryczności. Natomiast, jeżeli chcemy produkować wodór, ograniczamy dostęp tlenu do MFC i podajemy niewielkie porcje elektryczności do układu”, stwierdził Logan.

Naukowcy nazywają swój wynalazek wspomaganym bio-elektrochemicznie reaktorem mikrobiologicznym (ang. BioElectrochemically-Assisted Microbial Reactor - BEAMR). BEAMR nie tylko produkuje wodór, ale także oczyszcza ścieki, stanowiące w tym przypadku pożywkę dla bakterii. W urządzeniu stosuje się napięcie, będące około jedną dziesiątą napięcia wymaganego do procesu elektrolizy, który jest alternatywną technologią produkcji wodoru z wody. Logan dodaje, iż nowy proces demonstruje po raz pierwszy prawdziwy potencjał pozyskiwania wodoru ze źródeł odnawialnych, jako czystego ekologicznie paliwa znajdującego już obecnie zastosowanie w transporcie.