Mikrobiyal Yakıt Hücreleri Bölüm Semineri

Report
Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi
Biyomühendislik Bölümü
Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu
Ar.Gör. İsmail Ağır
Uzm. Yasemin Toker
İstanbul
21 Mayıs 2012

Alternatif enerji ihtiyacı

Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH)

MYH bileşenleri ve kullanılan malzemeler

Anot ve Katot Reaksiyonu

MYH’de Mikrobiyal Kültürler

Farklı MYH tasarımları

Atık Su Arıtımında MYH kullanımı

Sonuç

Kaynaklar
Alternatif Enerji İhtiyacı


Günümüzde, insanoğlunun teknolojiye bağlı olarak artan günlük enerji ihtiyacının büyük bir
kısmı, fosil yakıtlardan (mazot, doğal gaz, kömür) sağlanmaktadır. Son yıllarda bilim dünyası,
tükeneceği bilinen fosil yakıtlara, alternatif enerji kaynakları arayışına yönelmektedir.
Bu alternatif enerji kaynaklarından biri de Mikrobiyal Yakıt Hücreleri’dir (MYH).
Alternatif Enerji Türü
Kaynak veya yakıtı
1 Nükleer Enerji
Uranyum gibi ağır elementler
2 Güneş Enerjisi
Güneş
3 Rüzgar Enerjisi
Atmosferin hareketi
4 Dalga Enerjisi
Okyanus ve denizler
5 Doğal Gaz
Yer altı kaynakları
6 Jeo-termal Enerji
Yer altı suları
7 Hidrolik potansiyel
Nehirler
8 Hidrojen*
Su ve hidroksitler
9 Biyomas,biyodizel ve biyogaz* Atıklar ve yağlar
10 Biyoelektrik*
Atıklar
*Mikroorganizmalar yardımıyla üretilen alternatif enerji
çeşitleri
Mikrobiyal Yakıt Hücreleri (MYH)


Organik atıklardaki kimyasal enerjiyi, mikroorganizmalar yardımı ile doğrudan
elektrik enerjisine çeviren biyoreaktörlerdir.
MYH sistemi içinde bakteriler katalizör görevi görerek organik ve inorganik
maddeleri yükseltgeyerek akım üretir.
MYH Bileşenleri ve Kullanılan Malzemeler





Sisteme genel olarak bakıldığında, elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği bir
anot bölmesi, bir katot bölmesi ve proton değişim membranından oluşmaktadır.
Anot
Katot
Proton değişim membranı
Direnç
Mikrobiyal yakıt hücrelerinin şematik gösterimi (Kılıç ve ark., 2011)

Anot bölmesindeki elektroda bağlı olarak büyüyen mikroorganizmalar, ortamdaki
organik maddeleri, hidrojen iyonuna ve elektronlara dönüştürürler.
Kullanılan Malzemeler
Anot
Grafit, grafit keçesi, karbon kağıt, karbon kumaş, Pt, örülmüş cam karbon (RVC)
Esas bileşen
Katot
Grafit, grafit keçesi, karbon kağıt, karbon kumaş, Pt,, RVC
Esas bileşen
Proton değişim membranı
Nafion, Ultrex, polietilen.poli (stiren-co-divinilbenzen); tuz köprüsü, porselen duvar
veya sadece elektrolit
Esas bileşen
Çeşitli MFC düzeneklerinde kullanılan bileşenler ve bu bileşenlerin yapımında kullanılan malzemeler
(Du,ve ark. 2007)
Anot ve Katot Reaksiyonu
Substrat olarak asetatın kullanıldığı tipik bir MYH’nin anot ve katot bölmesinde gerçekleşen
reaksiyonlar:
Mikroorganizmalar
Anot bölmesi reaksiyonu:
Katot bölmesi reaksiyonu:
CH3COO-
+ 2H2O
O2 + 4e− + 4H+
2CO2 + 7H+ + 8e2H2O
Anot bölümünde bulunan elektrodun yüzeyi üzerinde büyüyen mikroorganizmalar, organik
bileşikleri oksitleyerek hidrojen iyonu ve elektron oluştururlar. Biyokimyasal reaksiyonlar
sonucu ortaya elektronlar bir direnç aracılığı ile anottan katoda doğru ilerleyerek elektrik
akımı oluştururken, protonlar geçirgen membrandan katot bölmesine membran aracılığı ile
geçerler. Katot bölmesine geçen protonlar burada bulunan oksijen ile birleşerek su
oluştururlar. Katot bölmesine geçen pozitif yüklü protonların varlığı ile anot bölmesinde
bulunan elektronlar katoda doğru çekilir ve böylece elektrik akımı oluşur (Du ve Li, 2007).
MYH’de Mikrobiyal Kültürler



Mikrobiyal kültürlerin seçimi ve zenginleştirilmesi mikrobiyal yakıt hücrelerinin
performansının optimizasyonunda önemlidir.
Mikroorganizmalar ayrıca anot bölmesinde bulunan elektrotlara spesifik izole
türler dışında karışık kültürler olarak da uygulanmaktadırlar. Genel kanı saf
kültürler ile yapılan çalışmalarda elektrik üretiminin yüksek olduğu şeklindeydi
fakat özellikle atık su arıtım uygulamalarında karışık kültürlerin kullanımı bunun
tersine daha iyi sonuçlar vermekte olduğu görülmüştür
(Kim ve ark.,
2007).
Mikrobiyal kültürler anot çözeltisi içerisinde süspansiyon halinde bulunabileceği
gibi elektrot yüzeyine de immobilize edilebilmektedirler. Yapılan bir çalışmada
grafit elektrot üzerine P. Vulgaris’in immoblizasyonunun sistemin yanıt zamanını
azalttığı gösterilmiştir
(Allen ve Bennetto, 1993).



Nanokablolar ile elektron
aktarımı
Elektron mekikleri ile
elektron aktarımı
Doğrudan elektron aktarımı











Actinobacillus succinogenes
Aeromonas hydrophila
Alcaligenes faecalis
Enterococcus gallinarum
Pseudomonas aeruginosa
Clostridium beijerinckii
Clostridium butyricum
Desulfovibrio desulfuricans
Erwinia dissolven
Escherichia coli
Geobacter metallireducens




Nişasta
Glikoz
Asetat
Laktat













Geobacter sulfurreducens
Gluconobacter oxydans
Klebsiella pneumoniae
Lactobacillus plantarum
Proteus mirabilis
Rhodoferax ferrireducens
Shewanella oneidensis
Shewanella putrefaciens
Streptococcus lactis
Melas
Ksiloz
Sükroz
Atıklar
(Du ve ark, 2007; Logan, 2008)
Farklı MYH Tasarımları
H tipi / İki bölmeli MYH iki şişe
arasındaki PEM olan
sistemlerdir.
Yukarı akışlı
sabit yatak biyofilm reaktörü
Düz plaka tipi MYH iki karbon kağıt elektrot arasında PEM
içeren sürekli çalışmaya uygun sistemlerdir.
Tek bölmeli MYH
geniş fırça anot ve plaka katot
içerir.
İç tarafında sıralı boru
katot olan silindirik biyoreaktör
Güç: 0.3-3 mW/m2
Sistem direnci: 66.92 Ω
Güç: 40 mW/m2
Sistem direnci: 1.756 Ω
(URL1, 2012)
Atık Su Arıtımında MYH Kullanımı







Mikrobiyal yakıt hücrelerinin atık su arıtımı için kullanılabileceği ilk
olarak, Habermann ve Pommer (1991) tarafından ortaya atılmıştır (Du ve
ark., 2007).
Endüstriyel ve evsel atık sulardaki yoğun organik karbon içeriğinin
kullanıldığı MYH sistemleri ile atık su arıtımı sağlanırken, diğer yandan
elektrik enerjisi üretilebilmektedir.
Atık su arıtım prosesi düşünüldüğünde, MYH kullanımının sağlayacağı bazı
avantajlar olduğu görülmektedir:
Atık suyun organik madde içeriği ve kolombik verime bağlı olarak bir akım
oluşmaktadır yani ürün, elektrik formundadır.
Havalandırmaya gereksinim duymaz bu da enerji ihtiyacını azaltır.
Atık su arıtım tesislerinde biyolojik arıtım sırasında havalandırma için geniş yüzey
alanı oluşturulmaya çalışılır ve çevreye atıkların kokusu dağılır. MYH sisteminde
havalandırma gerekmediği için bu sorun da olmayacaktır (Logan, 2007).
MYH kullanımı ayrıca metallerin geri kazanımınında da kullanılabilir (Yokoyama ve
ark., 2006).
MYH sistemlerinin büyük ölçeklere uyarlanması atık su arıtım tesislerine entegrasyonu ile
sağlanabilecektir.
Atık su arıtım tesisinde mikrobiyal yakıt hücresi kurulumu (Rodrigo ve ark.’dan uyarlanmıştır, 2007)
Atıksu
MYH tipi
Anot
Katot
Evsel atık su
Tek bölmeli
Grafit fiber
fırça
Pt kaplı grafit
fiber
Karbon kagıt
Pt kaplanmış
karbon kagıt
Nişasta işleme Hava katot tek
atık suyu
bölmeli
Bira işleme
atık suyu
Hava katot
tek bölmeli
Grafit
Pt + aktif
karbon+
PTFE
Güç
yoğunluğu
Referans
60 W/m3
Chen ve
Logan, 2011
120
239,4mW/m2
Lu ve ark.,2009
60
9,52 W/m3
Wen ve
ark.,2009
Membran
tipi
Direnç
(Ω)
-
1000
Nafion 117
Nafion 117
Tek bölmeli
Domuz
Atık suyu
261mW/m2
Karbon kağıt
Pt kaplanmış
karbon kağıt
Nafion 117
200
İki bölmeli
Evsel atık su
Tübüler
sistem
Min ve ark, 2005
45mW/m2
Grafit
Grafit
-
125
25 mW/m2
Rodrigo ve
ark., 2007



Yapılacak bir pilot tesisin 7.000 ton atık işleyerek 2.267.000 kWh/yıl elektrik
üreteceği hesaplanmış (URL2)
O halde tam kapasitede (231.779 ton bitkisel ve hayvansal atık) bu tesis 75 milyon
kWh/yıl elektrik üretecektir.
Bu durumda 4 kişilik bir ailenin yılda 3600 kWh elektrik tükettiği göz önüne
alınırsa (kişi başı 900 kWh/yıl) atıklardan elde edilen enerji ile 83.400 kişinin
elektrik ihtiyacı karşılanır.
Ayrıca evsel atık, kanalizasyon atıkları, endüstriyel atıklar da kullanılabilir…


75.000.000 ton atıktan üretilen biyogazdan yıllık 1 ila 2 milyar m3 doğalgaz
eşdeğeri gaz üretmek (ve biyogazı doğalgaza dönüştürmek) mümkündür.
Türkiye'nin yıllık doğalgaz tüketimi 35 milyar m3 olduğuna göre, atıklardan biyogaz
üretimi ile Türkiye doğalgaz ihtiyacının % 3 ila % 6'sı kadarı biyogazdan
karşılanabilir (Erzincanlı, 2009).



İstanbul nüfusu: 13.255.658 kişi (URL3)
Kişi başı atık üretimi 1,28 kg/kişi-gün (atık eylem planı)
Toplam katı atık 16.967.242 kg katı atık/ gün (>6 milyon ton/yıl)
İstanbul’da atık su arıtım tesislerindeki toplam atık su 5.000.000 m3/gün (URL4)
Şimdiye kadar elde edilen maksimum güç çıkışı nedir?
Kesikli sisteme sahip MYH kullanarak Penn State laboratuvarında, 1,5 W/m2 kadar elde güç
elde edilmiştir. Sürekli sistemde MYH kullanarak, akan evsel atık su 15.5
W/m3 civarında değerler kaydedilmiştir.
Bugün bir atık su arıtma tesisine MYH kurulacak olursa teorik olarak ne kadar güç
üretilir?
Penn State laboratuvarının araştırmasına göre 100.000 kişi ya da büyük bir sanayi tesisine
hizmet veren bir atık su arıtma tesisinden 500 eve yetecek kadar yani 0,8 MW civarında güç
üretilebileceği tahmin ediliyor.
MYH atık su arıtımına katkısı nedir?
Atık su kullanılan MYH'ler, mevcut atık su arıtma tesisiyle karşılaştırılabilir bir ölçüde organik
madde giderimi sağlamaktadır (URL5).
SONUÇLAR






Bir noktada bir ülkenin bağımsızlığı “artık kendi enerjisini karşılayabilme
potansiyeli” ile belirlenmektedir (Ünalan, 2012). Bu nedenle enerji çalışmaları çok
önemlidir.
MYH ile elde edilen enerji sınırlı ve yüksek güç tüketen elektronik cihazların
tüketimi için yeterli olmamaktadır.
Büyük ölçeğe geçtiğinde elektrot büyüklüğü artsa da sabit güç üretimi
sağlanamamaktadır (Devan ve ark., 2008).
Elektronik cihazların güç gereksinimlerini sağlamak için kapasitör ile enerji
saklandığı çalışmalar da mevcuttur (Donavan ve ark., 2008, Shantaram ve ark.,
2005).
Amaca uygun mikroorganizma seçilmeli ve mikroorganizmaların aklimatizasyonu
sağlanabilmelidir. Proteomik ve metabolomik ile birlikte gelişen yeni sekanslama
teknolojileri kullanılarak, mikrobiyal komuniteler üzerine çalışılmalıdır.
Kullanılan katalizörlerin maliyetlerinin düşürülmesi, sistem veriminin arttırılması ile
ilgili yeni malzeme ve sistem geliştirme çalışmaları sürdürülmelidir.
KAYNAKLAR

Du, Z., Li, H., Gu, T. 2007. A state of art review on microbial fuel cells: A promisig technology for wastewater
treatment and bioenergy. Biotechnology Advances. 25:464–482.

Logan, Bruce E., Bert Hamelers, René Rozendal, Uwe Schröder, Jürg Keller, Stefano Freguia, Peter Aelterman,
Willy Verstraete, and Korneel Rabaey., 2006. "Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology." Environmental
Science & Technology 40.17: 5181-192.

Logan, B., 2007. Microbial Fuel Cells. Wiley-Interscience, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, U.S.A. ISBN 9780-470-23948-3.

Alzate-Gaviria,L., 2011. Microbial Fuel Cells for Wastewater Treatment, Waste Water - Treatment and Reutilization.
Chapter 8. 151-170p. Fernando Sebastián García Einschlag (eds). InTech, USA. ISBN: 978-953-307-249-4

Cha, J., Choi, S., Yu, H,, Kim, H., Kim, C., 2009. Directly applicable microbial fuel cells in aeration tank for
wastewater treatment. Bioelectrochemistry. 78: 72–79.

Ghangrekar, M. M., and V. B. Shinde. “Microbial Fuel Cell: A New Approach of Wastewater Treatment with Power
Generation.” Paper presented at the International Workshop on R&D Frontiers in Water and Wastewater
Management. Nagpur, India, 20–21 January 2006.

Lu et al, 2008 Electricity generation from starch processing wastewater using microbial fuel cell technology

Yokoyama, H., Ohmori, H., Ishida, M., Waki, M., Tanaka, Y., 2006. Treatment of cow-waste slurry by a microbial
fuel cell and the properties of the treated slurry as a liquid manure. Animal Sci. J. 77: 634-638.

Chang, I., Jang, J., Gil, G., Kim, M., Kim, H., Cho, B., 2004. Continuous determination of biochemical oxygen
demand using microbial fuel cell type biosensor. Biosens Bioelectron. 19: 607–613.

Kim, J., Premier, G., Hawkes, F., Rodríguez, J., Dinsdale, R., Guwy, A., 2010. Modular tubular microbial fuel cells
for energy recovery during sucrose wastewater treatment at low organic loading rate. Bioresour Technol. 101:
1190–1198.

Lee, H., Parameswaran, P., Kato-Marcus, A., Torres, C., Rittmann, B., 2008. Evaluation of energy conversion
efficiencies in microbial fuel cells (MFCs) utilizing fermentable and nonfermentable substrates. Water Res. 42:
1501–1510.

Kılıç, A., Uysal, Y., Çınar, Ö., 2011. Laboratuvar Ölçekli Bir Mikrobiyal Yakıt Hücresinde Sentetik Atıksudan Elektrik
Üretimi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 17: 43-49.

Rodrigo, M.A., Canizares, P., Lobato, J., Paz, R., Saez, C., Linares,J.J.,2007. Production of electricity from the
treatment of urban water using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources. 169:198-204.

Logan, B. E., 2008. Microbial fuel cells. Chapter 12, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 182-185p.

M.A. Rodrigo, Canizares P., Lobato J., Paz R. , Saez C., Linares J.J., 2007. Production of electricity from the
treatment of urban waste water using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources.169:198–204.

Lu N., Shun-gui Zhou, Li Zhuang, Jin-tao Zhang, Jin-ren Ni, 2009. Electricity generation from starch processing
wastewater using microbial fuel cell technology. Biochemical Engineering Journal. 43:246–251.






Cheng S., Logan E.B., 2011. Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathode microbial
fuel cells. Bioresource Technology .102: 4468–4473
URL1: http://www.engr.psu.edu/ce/enve/logan/web_presentations/MFC-MECs-Bruce-Logan-1-2-08.pdf
URL 2: http://www.biyogaz.org.tr/dosya/I.%20Donem_faaliyet_ozeti.pdf
URL 3: http://www.ibb.gov.tr/sites/ks/trTR/IstanbulTanitim/konum/Pages/Nufus_ve_Demografik_Yapi.aspx
URL 4: http://www.iski.gov.tr/Web/statik.aspx?KID=1001286
URL5: http://www.research.psu.edu/capabilities/documents/MFC_QandA.pdf

similar documents