بخشی از مقاله
چکیده :
با توجه به رشد روز افزون جمعیت جهانی و به اتمام رسیدن سوختهاي فسیلی، نیاز شدیدي به منابع جایگزین انرژي احساس میشود. سوختهاي فسیلی داراي معایب فراوان از جمله آلودگیهاي زیست محیطی و گرم شدن کره زمین می باشند. بنابراین باید به دنبال منابعی باشیم که علاوه بر تجدیدپذیر بودن، آلودگیهاي زیستمحیطی کمتري داشته باشند. یکی از این منابع، موجودات زنده از جمله گیاهان و میکروارگانیسمها میباشند. با استفاده از پیلهاي سوختیِ میکروبی میتوان انرژي تولید شده توسط میکروارگانیسمها را کنترل کرده و در اختیار قرار داد. با استفاده از میکروارگانیسمهاي فتوسنتز کننده و پیلهاي میکروبیِ فتوسنتزي، میتوان انرژي خورشید را بطور غیر مستقیم به انرژي الکتریکی تبدیل نمود. در این مقاله انواع مختلف پیلهاي سوختیِ فتوسنتزي توضیح داده شده و بصورت مختصر مزیتها، مشکلات، محدودیتها و راه حل هاي آن مورد بررسی قرار می گیرد.
مقدمه
امروزه جهان بیشتر از 6 میلیارد نفر جمعیت دارد و بیش از 9/4 میلیارد پروژه تا سال 2050 طرح ریزي شده است .[1]سوختهاي فسیلی در قرن گذشته توانستند نیازهاي صنعت را براي تولید انرژي و رشد اقتصادي برآورده سازند، ولی واضح است که نمیتوانند براي همیشه اقتصاد جهانی را ثابت نگه دارند. پیش بینی شده بود که نفت خام تا 100 سال آینده به اتمام نمیرسد ولی با توجه به افزایش روز افزون تقاضا، منابع نفتی تنها براي چند سال آینده یعنی سالهاي 2015- 2025 پاسخگو خواهند بود .[1] انرژي خورشیدي که در یک ساعت به زمین می تابد برابر 4.3 × 1020 ژول می باشد در حالی که کل انرژي که در مدت یک سال در سیاره ما مصرف میشود برابر4.1 × 1020 ژول می باشد..[2] ایالات متحده آمریکا با اینکه حدود %5جمعیت جهان را داراست ولی حدود %25 از انرژي جهان را به مصرف می رساند.
منابع تامین انرژي در ایالات متحده آمریکا متعدد هستند، ولی مهمترین منبع انرژي، سوختهاي فسیلی میباشند. تقریبا %18 از این انرژي بصورت انرژي الکتریکی میباشد که توسط انواع گیاهان به اندازههاي مختلف تهیه میشود .[1] انرژي زیستی که در بیومس گیاهی جاي گرفته از منبع خورشید منشا گرفته و احتمالا در آینده میزان قابل توجهی از تولید انرژي تجدید پذیر را شامل می شود .[3] مزیت عمدة تولید انرژي از گیاهان، تجدید پذیر بودن آن، و عدم تولید گازهاي گلخانه اي می باشد در حالی که سوختهاي فسیلی مقدار زیادي گازهاي سمی تولید میکنند که باعث آلودگی هوا شده، بصورت بارانهاي اسیدي نیز به محیط زیست آسیب میرسانند. بعلاوه سوخت هاي فسیلی گاز دي اکسید کربن تولید میکنند که یک گاز گل خانهاي است و منجر به گرم شدن کرة زمین میشود.
با توجه به رو به اتمام بودن سوختهاي فسیلی و آلودگیِ زیست محیطی ناشی از آنها، توجه همگان به سمت انرژيهاي تجدید پذیر و پاکتر مثل انرژي تولیدي توسط موجودات زنده از جمله میکروارگانیسمها و گیاهان، جلب شده است. گیاهان و میکروارگانیسمها منابع مناسبی براي تولید انرژي هستند ولی براي بهره برداي انرژي تولیدي از آنها، نیاز به ابزارهایی است تا بتوان بوسیله آنها، انرژي تولیدي توسط این موجودات را در اختیار و کنترل قرار داد. یکی از مهم ترین این ابزارها، پیلهاي سوختی میکروبی میباشند که در ادامه زمینه هاي مختلف انها باختصار اشاره شده و مورد نقد و بررسی قرار می گیرد.
-1 پیل سوختی میکروبی
پیل سوختی میکروبی - Microbial Fuel cell MFC - براي تولید بیوالکتریسیته از بیومس باکتریایی مورد استفاده قرار میگیرد. اولین بار در سال 1911 بود که مشاهده شد باکتریها میتوانند جریان الکتریکی تولید کنند .[1] ولی 55 سال بعد - 1966 - بود که به صورت عملی روي این مسئله کار شد .[1] در اوایل دهه1990 پیلهاي سوختی بسیار مورد توجه قرار گرفته و تحقیقات روي پیلهاي سوختی میکروبی آغاز شد .[1] جستجو در پایگاه دادههاي اسکوپوس با واژه پیلهاي سوختی میکروبی نشان می دهد که تعداد مقالههایی که در دهه گذشته - 1998-2008 - در این زمینه چاپ شده نسبت به قبل تقریبا 60 برابر شده است، همچنین میزان جریان الکتریسته خروجی توسط پیلهاي سوختی میکروبی در طی سالهاي اخیر به شدت افزایش پیدا کرده، علاقه به این سلولهاي سوختی جهانی بوده و تحقیقات زیادي در کشورهاي مختلف در این زمینه صورت گرفته است، تا آخر سال 2009 به ترتیب کشورهاي ایالات متحده آمریکا، چین و کره جنوبی بیشترین تعداد مقالات را در زمینه پیلهاي سوختی میکروبی به چاپ رسانده اند.[4]
در یک پیل سوختی میکروبی از میکروارگانیسم به عنوان بیوکاتالیست براي تولید الکتریسیته استفاده می شود .[5] این پیل سوختی به دو صورت تک اتاقک یا دو اتاقک تهیه می شود، در سیستم تک اتاقک - مطابق شکل - 2 آند در داخل سیستم و کاتد در خارج و تماس مستقیم با هوا وجود دارد، در صورتی که در سیستم دو اتاقک، آند و کاتد هر دو در داخل سیستم وجود داشته و بوسیله غشاي انتقال دهنده پروتونی از یکدیگر جدا شده اند.[2] میکروارگانیسم در نیم پیل آندي تحت شرایط بی هوازي رشد کرده، مادة آلی - سوبسترا - را اکسید کرده، الکترونهاي تولید شده - توسط یک سري آنزیمهاي مربوط به تنفس سلولی - در داخل سلول انتقال پیدا کرده و منجر به ایجاد انرژي با فرم ATP میشود.
این الکترونها در نهایت، به آخرین پذیرندة الکترونی - Terminal electron acceptor: TEA - رسیده، آن را احیا میکنند. به عنوان مثال اکسیژن به عنوان آخرین پذیرنده الکترون، میتواند طی واکنش کاتالیزي بین الکترونها و پروتونها، به آب احیا شود .[1] بسته به نوع اکسید کننده اي - پذیرنده الکترون - که در کاتد استفاده می شود عمل کاهش در کاتد منجر به تشکیل آب از اکسیژن، فروسیانید از فريسیاند، گاز نیتروژن از نیترات Fe2+ از Fe 3+ یا وقتی که انرژي اضافه روي الکترونها اعمال میشود منجر به احیاي الکترونها به پروتون و هیدروژن میشود. این فرآیند کاهش کاتدي میتواند با فرآیند شیمیایی یا با کمک میکروارگانیسم هایی که در کاتد، فعال می باشند انجام شود .[6]
-2 اصول کار پیل سوختی میکروبی
در پیل سوختی میکروبی نیم پیلهاي واکنش آندي و کاتدي توسط یک غشاي انتقال دهنده پروتون از یکدیگر جدا شده و بوسیله مدار خارجی با یکدیگر در ارتباط هستند. در نیم پیل آندي کشت زنده میکرو ارگانیسم ها به همراه کربوهیدراتهایی مثل گلوکز و جفت کننده هاي ردوکس - Redox coupler - یا واسطه گرهاي الکترونی سوسپانسیون شده است. میکروارگانیسم منبع کربوهیدراتی را کاتابولیزه کرده و الکترونهاي تولید شده توسط این واکنش را در یک سري واسطه ها مثل NADH یا در طی زنجیره انتقال الکترون در میتوکندري ، ذخیره می کند. واسطه گر ردوکس الکترونی که در محلول وجود دارد به داخل سلول میکروارگانیسم نفوذ کرده و با فعالیت متابولیکی معینی که دارند با اکسیژن بر سر اکسید کردن این الکترونها رقابت کرده و و احیا می شوند. واسطه گرهاي ردوکس الکترونی احیا شده از دیواره سلولی میکروارگانیسم به داخل محلول بافري انتشار یافته و در نهایت الکترونهایشان را به آند انتقال می دهند. این الکترون ها در کاتد توسط پذیرنده الکترون مثل فري
