بخشی از مقاله
چکیده
پیل های سوختی میکروبی سیستم هایی هستند که با اکسیداسیون میکربی سابستریت انرژی بیوشیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. بخش بزرگی از مطالعات انجام گرفته پیرامون پیل های سوختی میکربی بر اساس تغذیه ناپیوسته آند با محلول آنولایت میباشد. به عنوان یک پروتکل مرسوم، هنگامی که ولتاز تولید شده در پیل از استانه مشخصی پایین تر میرود محلول آند بطور کامل و یا جزیی تعویض میشود. اما در مطالعات مربوط به پتانسیل تجاری سازی این تکنولوژی، فرایند لزوما باید به صورت پیوسته باشد تا هم شرایط پایداری از نظر توان و جریان ایجاد شود و هم نیروی انسانی کمتری برای هدایت پیل لازم باشد. این پژوهش به مطالعه حداقل اقداماتی می پردازد که برای راه اندازی و هدایت مستمر یک پیل سوختی میکربی با استفاده از محیط کشت خالص لازم است.
نتایج نشان داد که بررسی دقیق شرایط رشد میکروارگانیسم مورد نظر و تعیین سرعت رشد مخصوص برای مشخص کردن میزان بار هیدرولیکی پیل قبل از راه اندازی آن باید انجام شود. همچنین قبل از ایجاد جریان پیوسته، پیل باید برای مدتی به صورت ناپیوسته و با میزان تلقیح زیاد کار کند. در طول این مدت استفاده از سلول های تازه و در حال رشد به شکل گیری سریعتر لایه میکربی روی سطح الکترود آند کمک زیادی میکند. پس از ایجاد جریان پیوسته حفظ شرایط پایدار به حفظ غلظت میکربی در داخل محفظه آند وابسته است که این به نوبه خود به حفظ شرایط پایدار در کاتد بستگی دارد. میزان احیاء گونه موجود در کاتد میتواند تحت تاثیر نرخ هوادهی و یا غلظت اکسید کننده - احیاء شونده - باشد. در این پژوهش این اقدامات بر روی گونه شوانلا در یک پیل سوختی میکربی با مشخصات معلوم مطالعه شد. نتایج نشان داد که اقدامات فوق الذکر نتیجه مطلوبی در هدایت پایدار پیل داشت و میتواند به عنوان یک راهنمای کلی برای راه اندازی و هدایت پیل های سوختی میکربی با شرایط متفاوت نیز مورد توجه قرار گیرد.
واژه های کلیدی: پیل سوختی میکروبی پیوسته، محیط کشت خالص، شدت جریان بهینه
-1 مقدمه
در سال های اخیر مصرف انرژی در صنایع مختلف به سرعت در حال افزایش می باشد . سوخت های فسیلی که منابع اصلی تأمین انرژی به شمار می روند نیز به علت محدودیت و ناپایداری و همچنین به دلیل آلودگی های زیست محیطی و انتشار گازهای گلخانه ای، بشر را ملزم به تأمین انرژی از منابع جایگزین و ترجیحا تجدیدپذیر نموده است .[1] یکی از منابع تجدیدپذیر استفاده از پیل های سوختی میکروبی به منظور تولید الکتریسیته می باشد . در پیل های سوختی میکروبی میکروارگانیزم ها در محفظه بی هوازی آند در اثر اکسیداسیون سابستریت، پروتون و الکترون تولید می کنند. پروتون ها با نفوذ از غشاء تبادل پروتونی و الکترون ها از طریق مدار خارجی به سمت محفظه کاتد می روند. الکترون ها و پروتون ها در حضور پذیرنده الکترون یعنی اکسیژن آب تولید می کنند.[2]
بیشترین مطالعات انجام شده در زمینه پیل های سوختی میکروبی در حالت سیکل بسته یا جریان ناپیوسته - batch - صورت گرفته است[3] و اطلاعات فراوانی در زمینه راه اندازی، نگهداری، و توان خروجی این سیستم ها انتشار یافته است . اما با وجود شناخت نسبتا خوب از فرآیندهای ناپایدار، سیستم های بسته محدودیت هایی را در استفاده از این تکنولوژی به عنوان یک منبع انرژی پایدار و خصوصا در زمینه تجاری سازی آن و استفاده در مقیاس های بزرگ تر ایجاد میکنند . یکی از بزرگترین محدودیت ها مساله نگهداری و عملیات پیل برای طولانی مدت است که نیاز به مراقبت و نیروی انسانی زیاد دارد. در یک مط العه انجام شده، به ازای 130 میلی لیتر حجم محفظه آند پس از 36 ساعت وقتی که ولتاژ به زیر 30 میلی ولت می رسد، یک سیکل کامل طی می شود و محفظه آند خالی و دوباره با محیط کشت پر می شود. به ازای یک سال عملیات پیل ناپیوسته، 243 بار باید پیل خالی و پر شود که نیروی انسانی زیادی لازم است.[4]
عدم پایداری در جریان خروجی پیل در زمان های مختلف، دیگر محدودیت استفاده از سیستم های ناپایدار است. جریان خروجی پیل در ابتدای خوراک دهی افزایشی و پس از عبور از یک ماکزیمم جریان که معمولا پس از چند ساعت اتفاق می افتد شروع به کاهش میکند. لذا همواره یک مدل سیکلی در جریان تولیدی وجود دارد که ممکن است برای مصرف کننده های مختلف شرایط مطلوبی نباشد. در شرایط ناپایدار، سلولهای بایوکاتالیست در شرایط یکسان از نظر رشد قرار ندارند و شرایط رشد از نظر میزان مصرف سابستریت و قدرت یونی محلول آند مرتبا در حال تغییر است. این تغییرات روی مقاومت داخلی پیل تاثیر گذاشته و میزان آن را در طول عملیات پیل تغییر میدهد. با توجه به ثابت بودن مقاومت خارجی - مصرف کننده - تغییر مقاومت داخلی باعث تغییر توان خروجی پیل میشود که شرایط مطلوبی نیست.
با استفاده از پیل های پیوسته و بهینه سازی تکنولوژی آنها بعنوان جایگزین پیل های سوختی میکروبی بسته محدودیت استفاده از پیل های سوختی تا حد قابل توجهی کاهش یافته است . از جمله مزایا و کاربردهای سیستم های پیوسته می توان تعیین مقدار بهینه ترکیبات محیط کشت به منظور تولید بالاترین میزان انرژی، کنترل متابولیت های ثانویه تولیدی در طی فرآیند رشد میکروارگانیزم، تعیین سنتیک رشد میکروارگانیزم، حفظ شرایط پایدار برای مدت زمان طولانی که می تواند به بررسی بهتر اثر پارامترهای مختلف روی عملکرد پیل شود را نام برد . با این وجود استفاده از پیل های سوختی میکروبی پیوسته کاربردهای عملی بیشتری نسبت به حالت بسته دارد.[5] بسیاری از تحقیقات پیل های سوختی میکروبی پیوسته به منظور تصفیه پساب صورت گرفته است.[6]
از آنجا که در پژوهش های انجام گرفته حول محور پیل های سوختی میکروبی، شرایط پیوسته به همراه کشت یک گونه خاص میکروبی به صورت موردی و محدود می باشد، در این پژوهش اقدامات و اطلاعات موردنیاز برای راه اندازی و حفظ شرایط پایدار با بیشترین توان در عملیات طولانی مدت پیل های پیوسته بر روی یک پیل سوختی میکربی با مشخصات معلوم و با استفاده از باکتری شوانلا مورد بررسی قرار گرفت. میزان بار هیدرولیکی بهینه برای راه اندازی پیل بررسی شد و هم چنین روش بدست آوردن اطلاعات مورد نیاز از قبیل تعیین غلظت سلولی و غلظت سابستریت به منظور راه اندازی و حفظ شرایط عملکردی پایدار مورد مطالعه قرار گرفت.
-2 مواد و روش ها
-1-2 میکروارگانیزم و محیط کشت
در این تحقیق از گونه باکتری شوانلا استفاده شد که از کلکسیون میکربی سازمان پژوهشهای علمی و صنعتی ایران به شماره PTCC 1711 تهیه شد . ترکیب محیط کشت شوانلا به صورت زیر بود: 3 گرم بر لیتر سدیم هیدروکسید، 1/5 گرم بر لیتر آمونیوم کلراید، 0/1 گرم بر لیتر پتاسیم کلراید، 0/6 گرم بر لیتر پتاسیم مونو هیدروژن فسفات، 5/8 گرم بر لیتر سدیم کلراید، 10 میلی لیتر محلول ریزمغذی ها و 10 میلی لیتر محلول آمینو اسید که با محلول بافر فسفات 100 میلی مولار با PH=7 به حجم یک لیتر رسید. [7] اسید لاکتیک با غلظت 18 میلی مولار به عنوان سابستریت مورد استفاده قرار گرفت.
ترکیب محلول ریزمغذی ها برای یک لیتر محلول به صورت زیر بود: 1/5 گرم نیتریلو تری استیک اسید، 3 گرم سولفات منیزیم 5 آبه، 0/5 گرم سولفات منگنز 1 آبه، 1 گرم سدیم کلراید، 0/1 گرم سولفات آهن 5 آبه، 0/1 گرم کلسیم کلراید 2 آبه، 0/1 گرم کبالت کلراید 6 آبه، 0/13 گرم روی کلراید، 0/01 گرم سولفات مس 5 آبه، 0/01 گرم آلومینیوم سولفات پتاسیم 12 آبه، 0/01 گرم اسید بوریک، 0/025 گرم مولیبدات سدیم 12 آبه، 0/024 گرم نیکل کلراید 6 آبه و 0/025 گرم تنگسات سدیم 2 آبه که با آب مقطر به حجم یک لیتر رسید. ترکیب محلول آمینو اسید به صورت زیر بود: 2 گرم بر لیتر گلوتامیک اسید و 2 گرم بر لیتر آرژنین که با آب مقطر به حجم یک لیتر رسید.[7]
-2-2 نرخ رشد ویژه - specific growth rate -
به منظور اطمینان از خالص بودن نمونه بانک میکروبی، ابتدا شوانلا روی سطح آگار کشت داده شد. پس از تشکیل کلونی، چند کلونی داخل فالکون حاوی محیط کشت TSB در شیکر انکوباتور در دور 125 و دمای 30 درجه سانتی گراد کشت داده شد. پس از مدت 48 ساعت که میکروارگانیزم به بیشترین میزان رشد خود رسید، میزان 10 درصد حجمی از محیط کشت حاوی میکروارگانیزم به داخل فلاسک حاوی محیط کشت TSB به حجم 200 میلی لیتر - تعداد سلول اولیه - 1/54*P11P10 تلقیح شد. پس از تکثیر میکربی و تهیه بایومس در محیط کشت TSB، مجددا میزان 10 درصد حجمی از بایومس تولید شده به داخل فلاسک حاوی آنولایت به حجم 200 میلی لیتر تلقیح شد . برای محاسبه نرخ رشد ویژه و تعیین منحنی رشد باکتری از این محلول استفاده شد. در فواصل زمانی معین از داخل فلاسک نمونه گیری انجام شد و میزان کدورت در طول موج 600 نانومتر در برابر شاهد - محیط کشت آنولایت - با دستگاه اسپکتروفتومتر تعیین شد . نمونه گیری تا زمانی انجام شد که باکتری به حداکثر میزان رشد خود رسید. پس از بدست آوردن داده های رشد، شیب خط حاصل از رسم لگاریتم غلظت بایومس بر حسب زمان در محدوده زمانی فاز لگاریتمی به عنوان نرخ رشد ویژه در نظر گرفته شد.
-3-2 ساختارپیل سوختی میکروبی پیوسته
پیل سوختی میکروبی مورد استفاده، از دو محفظه آند و کاتد تشکیل شده است که این دو محفظه توسط یک غشاء تبادل پروتون از یکدیگر تفکیک می شوند. جنس محفظه ها پلکسی گلس و جنس غشاء، پلی تترا فلوئور اتیلن - PTFE - می باشد. حجم هر کدام از محفظه ها 150 میلی لیتر بوده که در قسمت آند محیط کشت آنولایت و میکروارگانیزم قرار دارد و محفظه کاتد حاوی بافر فسفات 25 میلی مولار با PH=7 می باشد که توسط پمپ آکواریوم هوادهی می شود. الکترودها دارای
