Reaktor bioelektrochemiczny

Reaktor bioelektrochemiczny to rodzaj bioreaktora , w którym procesy bioelektrochemiczne są wykorzystywane do degradacji / produkcji materiałów organicznych przy użyciu mikroorganizmów. Ten bioreaktor ma dwa przedziały: Anodę , w której zachodzi reakcja utleniania ; I katoda , w której następuje redukcja . W tych miejscach elektrony są przekazywane do iz drobnoustrojów w celu redukcji mocy protonów, rozkładu odpadów organicznych lub innych pożądanych procesów. Wykorzystywane są w elektrosyntezie mikrobiologicznej , rekultywacji środowiska i elektrochemicznej konwersji energii . Przykłady reaktorów bioelektrochemicznych obejmują mikrobiologiczne ogniwa do elektrolizy , mikrobiologiczne ogniwa paliwowe , enzymatyczne ogniwa do biopaliw , ogniwa do elektrolizy , mikrobiologiczne ogniwa do elektrosyntezy i biobaterie .

Zasady

Prąd elektronowy jest nieodłącznym elementem metabolizmu drobnoustrojów. Mikroorganizmy przenoszą elektrony z donora elektronów (gatunki o niższym potencjale) do akceptora elektronów (gatunki o wyższym potencjale). Jeśli akceptorem elektronów jest zewnętrzny jon lub cząsteczka, proces ten nazywa się oddychaniem. Jeśli proces jest wewnętrzny, transfer elektronów nazywa się fermentacją. Mikroorganizm stara się zmaksymalizować zysk energetyczny, wybierając akceptor elektronów o najwyższym dostępnym potencjale. W naturze redukowane są głównie minerały zawierające tlenki żelaza lub manganu. Często rozpuszczalne akceptory elektronów są wyczerpane w środowisku mikrobiologicznym. Mikroorganizm może również zmaksymalizować swoją energię, wybierając dobrego donora elektronów, który może być łatwo metabolizowany. Procesy te są wykonywane przez zewnątrzkomórkowy transfer elektronów (EET). Teoretyczny zysk energetyczny ΔG dla mikroorganizmów odnosi się bezpośrednio do różnicy potencjałów między akceptorem a donorem elektronów. Jednak nieefektywności, takie jak opór wewnętrzny, zmniejszą ten zysk energii. Zaletą tych urządzeń jest ich wysoka selektywność w procesach o dużych prędkościach, ograniczona czynnikami kinetycznymi.

Najczęściej badanymi gatunkami są Shewanella oneidensis i Geobacter sulfurreducens . Jednak w ostatnich latach zbadano więcej gatunków.

25 marca 2013 r. naukowcy z University of East Anglia byli w stanie przenieść ładunek elektryczny, pozwalając bakteriom dotknąć metalowej lub mineralnej powierzchni. Z badań wynika, że ​​możliwe jest „przywiązanie” bakterii bezpośrednio do elektrod.

Historia

W 1911 roku M. Potter opisał, w jaki sposób przemiany mikrobiologiczne mogą wytworzyć moc redukującą, a tym samym prąd elektryczny. Dwadzieścia lat później Cohen (1931) badał zdolność bakterii do wytwarzania przepływu elektrycznego i zauważył, że głównym ograniczeniem jest mała zdolność generowania prądu przez mikroorganizmy. Berk i Canfield (1964) zbudowali pierwsze mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (MFC) dopiero w latach 60-tych.

Obecnie wzrasta zainteresowanie reaktorami bioelektrochemicznymi. Urządzenia te mają realne zastosowanie w takich dziedzinach jak uzdatnianie wody, produkcja i magazynowanie energii, produkcja surowców, recykling i odzysk.

Aplikacje

Uzdatnianie wody

Reaktory bioelektrochemiczne znajdują zastosowanie w oczyszczalniach ścieków. Obecne osadu czynnego są nieefektywne energetycznie i kosztowo ze względu na konserwację osadu, potrzeby napowietrzania i potrzeby energetyczne. Dzięki zastosowaniu reaktora bioelektrochemicznego, który wykorzystuje koncepcję filtrowania zraszanego , można rozwiązać te nieefektywności. Podczas przetwarzania ścieków za pomocą tego reaktora nitryfikacja, denitryfikacja i usuwanie materii organicznej odbywają się jednocześnie w warunkach tlenowych i beztlenowych przy użyciu wielu różnych drobnoustrojów znajdujących się na anodzie systemu. Chociaż parametry przetwarzania w reaktorze wpływają na ogólny skład każdego drobnoustroju, w tych zastosowaniach często spotyka się rodzaje Geobacter i rodzaj Desulfuromonas .

W kulturze popularnej

Zobacz też

  1. ^ Krieg, Tomasz; Madjarov, Joana (13 kwietnia 2018). „Reaktory do elektrobiotechnologii mikrobiologicznej” (PDF) . Adv Biochem Eng Biotechnol . 167 : 231–272.
  2. ^   Krieg T, Sydow A, Schröder U, Schrader J, Holtmann D (grudzień 2014). „Koncepcje reaktorów do syntez bioelektrochemicznych i konwersji energii”. Trendy w biotechnologii . 32 (12): 645–55. doi : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . PMID 25457389 .
  3. ^   Rabaey K, Angenent L, Schroder U, Keller J, wyd. (2010). Układy bioelektrochemiczne: od pozakomórkowego transferu elektronów do zastosowań biotechnologicznych . Londyn: Wydawnictwo IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .
  4. ^   Kuntke P, Smiech KM, Bruning H, Zeeman G, Saakes M, Sleutels TH i in. (maj 2012). „Odzysk amonu i produkcja energii z moczu przez mikrobiologiczne ogniwo paliwowe”. Badania wody . 46 (8): 2627-36. doi : 10.1016/j.waters.2012.02.025 . PMID 22406284 .
  5. ^   Rabaey K, Angenent L, Schroder U, Keller J, wyd. (2010). Układy bioelektrochemiczne: od pozakomórkowego transferu elektronów do zastosowań biotechnologicznych . Londyn: Wydawnictwo IWA. ISBN 978-1-84339-233-0 .
  6. Bibliografia   _ Flickinger MC; Drew SW (1999). Technologia bioprocesowa: fermentacja, biokataliza i bioseparacja . Nowy Jork: JohnWiley & Sons, Inc., s. 267–291. ISBN 978-0-471-13822-8 .
  7. ^   Krieg T, Sydow A, Schröder U, Schrader J, Holtmann D (grudzień 2014). „Koncepcje reaktorów do syntez bioelektrochemicznych i konwersji energii”. Trendy w biotechnologii . 32 (12): 645–55. doi : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . PMID 25457389 .
  8. ^   Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H i in. (listopad 2020). „Reaktor z filtrem zraszanym oparty na systemie bioelektrochemicznym do oczyszczania ścieków”. Technologia biozasobów . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501 .
  9. ^    Zhang X, Rabiee H, Frank J, Cai C, Stark T, Virdis B i in. (2020-10-16). „Wzmocnienie utleniania metanu w bioelektrochemicznym reaktorze membranowym przy użyciu rozpuszczalnego mediatora elektronów” . Biotechnologia dla biopaliw . 13 (1): 173. doi : 10.1186/s13068-020-01808-7 . PMC 7568384 . PMID 33088343 .
  10. ^ Czysta energia elektryczna z bakterii? Naukowcy dokonują przełomu w wyścigu do stworzenia „bio-baterii” Sciencedaily , 25 marca 2013 r.
  11. ^   Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H i in. (listopad 2020). „Reaktor z filtrem zraszanym oparty na systemie bioelektrochemicznym do oczyszczania ścieków”. Technologia biozasobów . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501 .
  12. ^ a b   Liang Q, Yamashita T, Koike K, Matsuura N, Honda R, Hara-Yamamura H i in. (listopad 2020). „Reaktor z filtrem zraszanym oparty na systemie bioelektrochemicznym do oczyszczania ścieków”. Technologia biozasobów . 315 : 123798. doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501 .

Linki zewnętrzne

  •   Sasaki K, Morita M, Sasaki D, Hirano S, Matsumoto N, Ohmura N, Igarashi Y (styczeń 2011). „Zbiorowiska metanogenne na elektrodach reaktorów bioelektrochemicznych bez membran”. Journal of Bioscience and Bioengineering . 111 (1): 47–9. doi : 10.1016/j.jbiosc.2010.08.010 . PMID 20840887 .
  • Ghafari S, Hasan M, Aroua MK (2009). „Remediacja azotanów w nowatorskim reaktorze bioelektrochemicznym z przepływem w górę (UBER) wykorzystującym węgiel aktywny z łupin palmowych jako materiał katodowy”. Electrochimica Acta . 54 (17): 4164–71. doi : 10.1016/j.elecacta.2009.02.062 .
  • Goel RK, Flora JR (2005). „Sekwencyjna nitryfikacja i denitryfikacja w podzielonym komórkowym reaktorze bioelektrochemicznym wzrostu”. Nauka o inżynierii środowiska . 22 (4): 440–9. doi : 10.1089/ees.2005.22.440 .
  •   Watanabe T, Jin HW, Cho KJ, Kuroda M (2004). „Zastosowanie procesu bioelektrochemicznego w reaktorze do bezpośredniego oczyszczania ścieków z trawienia metali zawierających metale ciężkie i azotany o wysokiej wytrzymałości”. Nauka o wodzie i technologia . 50 (8): 111–8. doi : 10.2166/wst.2004.0501 . PMID 15566194 .
Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Bioelectrochemical_reactor&oldid=1089137777 ”