Mikrobiológiai üzemanyagcellák szervesanyag-eliminációs hatékonyságának vizsgálata Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék Témavezető: Dr. Tardy Gábor Márk egyetemi adjunktus Előadó: Lóránt Bálint Biomérnök MSc hallgató
Mikrobiológiai üzemanyagcella működésének alapjai Az MFC-ben (Microbial Fuel Cell) a szerves anyagok biodegradációjából közvetlenül elektromos energia nyerhető az ún. exoelektrogén mikroorganizmusok segítségével. 1
Mikrobiológiai üzemanyagcella működésének alapjai Anódtér Szigorúan anaerob. Az exoelektrogének a koenzimek regenerációjából származó elektronokat az anód felületére transzportálják. Katódtér Aerob (levegőztetett). Az anódtértől egy speciális, protonokra szelektív ioncserélő membránnal van elválasztva. 2
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Alacsony feszültség értékek (0,3-0,6 V). Kis teljesítmény (~200 ). Kis teljesítményigényű fogyasztók áramellátására Tender et al. 2008 3
Az MFC-k tulajdonságai, felhasználási lehetőségei Alacsony biomassza hozam. Hatékony szennyező eltávolítás. Szennyvíztisztításra, szennyezés megsemmisítésre Kapcsolat a feszültség és a szubsztrát koncentrációja között. Alkalmazás bioszenzorként 4
A kutatás célja Szerves szubsztrátok biodegradációjának kinetikai vizsgálatára alkalmas üzemanyagcella létrehozása. Acetát és pepton biodegradációjának kinetikai vizsgálata, a féltelítési állandók valamint a maximális feszültség érték meghatározása. Szervesanyag-eliminációs hatékonyság vizsgálata. 5
Két cellás H-típusú MFC Protonszelektív membrán Katódtér Anód Katód Levegőztető porlasztója Anódtér Mágneses keverők 6
Elektród anyagok D Grafit szövet: Grafit lap: 7
A katód/anód arány és az anyagminőség hatása a cella teljesítménysűrűségére ~2X-es katód/anód felületarány felett grafitlap anódot és grafitszövet katódot alkalmazva a cella teljesítménye függetlenné vált a katód/anód aránytól. A biodegradáció a sebesség-meghatározó. 8
D A kinetikai vizsgálatra alkalmazott kísérleti rendszer Perisztaltikus pumpa V H Levegőztetés Tápoldat tartály Anódtér Katódtér Grafitlap anód és grafitszövet katód, katalizátor réteggel és anélkül. 3X katód/anód felületarány. Tápoldat tartály és folyamatosan keringtetett táplé. Mintavétel, centrifugálás után teljes oldott szerves C-tartalom (DOC Dissolved Organic Carbon) mérése. 9
Monod-kinetika A biológiai folyamatok jellemzően a Monod-kinetikával írhatók le, pl.: enzimes reakciók sebessége mikrobák fajlagos növekedési sebessége D µmax: mikroba maximális növekedési sebessége. Ks: az a szubsztrát koncentráció, melynél a növekedés sebessége épp fele a maximálisnak. 10
Acetát exoelektrogén D biodegradációjának kinetikája 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 Feszültség (V) 0,25 0,20 0,15 x c Nem katalizált x 0,10 0,05 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 = + DOC (mg/l) x x x Katalizált Feltételeztük, hogy az adott koncentráció-tartományban az acetát biodergradációja az MFC-ben Monod-kinetikát követ. A feszültség a lebontó folyamatok sebességétől függ: = + 11
D K s és U max megállapítása acetát felhasználásával Sinert: nehezen biodegradálható, mikrobák pusztulásából. Nem katalizált: Umax=0,323 V Ks=0,46 mg/l Sinert=7,3 mg/l Katalizált: Umax=0,415 V Ks=0,11 mg/l Sinert=12,7 mg/l 12
D K s és U max megállapítása pepton felhasználásával Sinert Nem katalizált: Umax=0,326 V Ks=0,72 mg/l Sinert=6,0 mg/l Katalizált: Umax=0,408 V Ks=0,79 mg/l Sinert=7,0 mg/l 13
Összehasonlítás D Umax (V) Ks (mg DOC/l) Sinert (mg DOC/l) Ks+Sinert (mg DOC/l) ~KOI (mg/l) Ks+Sinert KOI határérték érzékeny befogadókra Nem katalizált 0,323 0,46 7,3 7,76 23,33-31,10 Acetát Katalizált 0,415 0,11 12,7 12,81 38,56-51,41 Pepton Nem katalizált 0,326 0,72 6,0 6,72 20,15-26,87 Katalizált 0,408 0,79 7,0 7,79 23,33-31,11 50 mg/l A legszigorúbb határérték alatti tartományban is hatékony biodegradáció. A szakirodalomhoz képest (~1 mmol/l = ~24 mg DOC/l) az általunk tapasztalt K S érték 0,46-0,79 mg DOC/l közel két nagyságrenddel kisebb. Feltételezhető, hogy elektromos energia termelés és szervesanyag elimináció MFC-kben az eddigi elképzeléseknél alacsonyabb koncentrációk esetén is hatékony lehet. Sinert feltételezhetően a biomassza líziséből adódó inert DOC frakció. 14
Összefoglalás I. D A biodegradáció kinetikai vizsgálatára fejlesztett cellában grafitlap anódot és grafitszövet katódot alkalmaztunk ~3X-os K/A felület aránnyal Az anódon zajló folyamatok a sebesség meghatározók. Levezettük, hogy: A maximális feszültség és a féltelítési állandó értékét acetát és pepton szubsztrát esetén is meghatároztuk. A féltelítési állandók közel 2 nagyságrenddel kisebbnek adódtak, mint a korábbi kutatások 24 mg DOC/l-es eredményei. 15
Összefoglalás II. D Az MFC teljesítménye alacsony szubsztrát koncentráció mellett sem esik vissza, így szennyvíztisztításban a kis koncentrációjú szubsztrátok eliminációjában is hatékony megoldás lehet. MFC alapú bioszenzorokkal tápanyagok/szennyezőanyagok jelenléte (élővízben, ivóvízben, szennyvízben) kis koncentrációban is kimutatható. Az Sinert eredetének vizsgálata jelenleg folyik, valószínűsíthetően a mikrobák pusztulása során keletkező nehezen biodegradálható szerves anyagok alkotják. 16
Köszönöm a figyelmet! D 17
A cellában kialakuló feszültség értéke különböző katódoldatok esetén 400 U (mv) 350 300 250 200 150 100 240,4 318,5 333 344 Az anódtérben alkalmazott standard tápsó oldat: 1 l oldatban 3,13 g NaHCO 3, 0,31 g NH 4 Cl, 0,13 g KCl, 4,22 g NaH 2 PO 4 6,93 g Na 2 HPO 4 12 H 2 O + nyomelemek 50 0 0,1% KCl 1% KCl tápsó tápsó +1% KCl A katódtérben 1 m/m %-os KCl oldat és a standard tápsó oldat alkalmazása a cella feszültsége és teljesítménye szempontjából közel ekvivalens. Mivel tápsóoldat KCl koncentrációjának növelése nem hozott jelentős növekedést az 1000 Ω ellenállásra eső feszültségben így arra következtettünk, hogy a további ionerősség emelés jelentős változást nem eredményez a cella teljesítményében.
Kutatásunk legújabb fázisa D Túlfolyó Anód kivezetés Betáp Katód kivezetése Légkatód Grafit lap anód Mágnes keverő
D Kutatásunk legújabb fázisa II.
0,5 0,45 0,4 0,35 Feszültség (V) 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 Ellenállás (ohm)
0,5 0,45 0,4 0,35 Feszültség (V) 0,3 0,25 0,2 0,15 y = -547x + 0,4639 R² = 0,9981 0,1 0,05 0 0 0,0001 0,0002 0,0003 0,0004 0,0005 0,0006 Áramerősség (A)
70 60 Teljesítménysűrűség (mw/m2) 50 40 30 20 10 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 Ellenállás (ohm)
12000 10000 8000 Ellenállás (ohm) 6000 4000 y = 9.8474x + 2.362 R² = 1 2000 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Helipot állás