माइक्रोबियल ईंधन सेल

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माइक्रोबियल ईंधन सेल एक प्रकार का जैव विद्युतीय ईंधन सेल प्रणाली है[1] यह एक बाहरी विद्युत परिपथ के माध्यम से ऋणाग्र पर ऑक्सीकृत यौगिकों जैसे ऑक्सीजन (जिसे ऑक्सीकरण एजेंट या इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में भी जाना जाता है) को एनोड पर कम यौगिकों को ईंधन या इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में भी जाना जाता है। माइक्रोबियल ऑक्सीकरण से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को मोड़ करके विद्युत प्रवाह उत्पन्न करता है। माइक्रोबियल ईंधन सेल को दो सामान्य श्रेणियों में बांटा जा सकता है: मध्यस्थ और अनमध्यस्थ। 20वीं शताब्दी के प्रारम्भ में प्रदर्शित किए गए पहले माइक्रोबियल ईंधन सेल ने एक मध्यस्थ का प्रयोग किया एक रसायन सेल में जो जीवाणु से इलेक्ट्रॉनों को धनाग्र में स्थानांतरित करता है। 1970 के दशक में अनियंत्रित माइक्रोबियल ईधन सेल उभरे इस प्रकार की बैक्टीरिया में सामान्यतः विद्युत् रासायनिक सक्रिय रेडोक्स प्रोटीन होते हैं जो कि साइटोक्रोम के बाहरी झिल्ली पर होते हैं जिससे इलेक्ट्रॉनों को सीधे धनाग्र में स्थानांतरित कर सकते हैं। 21वीं शताब्दी में माइक्रोबियल ईधन सेल ने अपशिष्ट जल उपचार में व्यावसायिक उपयोग करना शुरू कर दिया है।


इतिहास

विद्युत उत्पन्न करने के लिए रोगाणुओं का उपयोग करने का विचार 20वीं शताब्दी की प्रारम्भ में आया था। ब्रिटिश माइकोलॉजिकल सोसाइटी के अध्यक्ष 1896 मे वर्तमान माइकल क्रेस पॉटर ने 1911 में इस विषय को प्रारम्भ किया।[2] पॉटर सैकेरोमाइसीज सेरेविसी से विद्युत उत्पन्न करने में सफल रहे,परन्तु काम को बहुत कम प्रसार मिला। 1931 में, बार्नेट कोहेन ने माइक्रोबियल आधा सेल ईंधन सेल बनाए, जो श्रृंखला में जुड़े होने पर केवल 2 मिलीमीटर के विद्युत के साथ 35 वोल्ट से अधिक उत्पादन करने में सक्षम थे।[3]

डेलडूका एट अल द्वारा एक अध्ययन में हाइड्रोजन और वायु ईंधन सेल के धनाग्र पर अभिकारक के रूप में क्लोस्ट्रीडियम ब्यूटिरिकम द्वारा ग्लूकोज के किण्वन (जैव रसायन) द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन का उपयोग किया जाता है। यद्यपि सेल ने कार्य किया,यह सूक्ष्म जीवों द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की अस्थिर प्रकृति के कारण अविश्वसनीय था।[4] इस विषय को सुजुकी एट अल द्वारा 1976 में हल किया गया था। [5] जिन्होंने एक साल बाद एक सफल माइक्रोबिएल ईंधन सेल प्रारूप तैयार किया।[6]1970 के दशक के अंत में, माइक्रोबियल ईंधन सेलों के कार्य करने के तरीके के बारे में बहुत कम समझा गया था। अवधारणा का अध्ययन रॉबिन एम. एलन और बाद में एच. पीटर बेनेटो द्वारा किया गया था। लोगों ने ईंधन सेल को विकासशील देशों के लिए विद्युत उत्पादन के संभावित तरीके के रूप में देखा। 1980 के दशक की प्रारम्भ में बेनेटो के कार्य ने यह समझने में मदद की, कि ईंधन सेल कैसे कार्य करते हैं और उन्हें कई लोगों ने विषय के प्रमुख अधिकार के रूप में देखा ।

मई 2007 में क्वींसलैंड विश्वविद्यालय ऑस्ट्रेलिया ने फोस्टर्स ग्रुप फोस्टर्स ब्रूइंग के साथ एक सहकारी प्रयास के रूप में एक प्रोटोटाइप माइक्रोबिएल ईंधन सेल पूरा किया। प्रोटोटाइप एक 10 एल प्रारूप,शराब की भठ्ठी अपशिष्ट जल को कार्बन डाइऑक्साइड, स्वच्छ पानी और विद्युत में परिवर्तित करता है। समूह की आगामी अंतर्राष्ट्रीय जैव-ऊर्जा सम्मेलन के लिए एक पायलट-स्केल मॉडल बनाने की योजना थी।


परिभाषा

माइक्रोबियल ईंधन सेल (माइक्रोबियल ईंधन सेल) एक उपकरण है जो सूक्ष्मजीवों की क्रिया द्वारा रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है। इन विद्युत रासायनिक सेल का निर्माण जैविक धनाग्र या जैविक ऋणाग्र का उपयोग करके किया जाता है। अधिकांश माइक्रोबियल ईंधन सेल में धनाग्र (जहां ऑक्सीकरण होता है) और ऋणाग्र (जहां कमी होती है) के डिब्बों को अलग करने के लिए एक झिल्ली होती है। ऑक्सीकरण के समय उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को सीधे विद्युत द्वार या रेडॉक्स मध्यस्थ प्रजातियों में स्थानांतरित किया जाता है। इलेक्ट्रॉन प्रवाह को ऋणाग्र में ले जाया जाता है। प्रणाली का आवेश संतुलन सेल के अंदर आयनिक गतिविधि द्वारा बनाए रखा जाता है, सामान्यतः एक आयनिक झिल्ली के पार अधिकांश माइक्रोबियल ईंधन सेल कार्बनिक इलेक्ट्रॉन दाता का उपयोग करते हैं जो कार्बन मोनोऑक्साइड उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीकृत होता है प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन,अन्य इलेक्ट्रॉन दाताओं की सूचना दी गई है, जैसे कि सल्फर यौगिक या हाइड्रोजन।[7] ऋणाग्र प्रतिक्रिया विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉनो के स्वीकर्ता का उपयोग करती है, सामान्यतः ऑक्सीजन अध्ययन किए गए अन्य इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में अपचयन द्वारा धातु की पुनः प्राप्ति शामिल है,जैसे [8] जल से हाइड्रोजन,[9] नाइट्रेट,और सल्फेट की कमी ।

अनुप्रयोग

विद्युत उत्पादन

माइक्रोबियल ईंधन सेल विद्युत उत्पादन अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक हैं, जिनके लिए केवल कम विद्युत की आवश्यकता होती है, लेकिन जहां बैटरी को बदलना अव्यावहारिक हो सकता है, जैसे कि वायरलेस संवेदक नेटवर्क। माइक्रोबियल ईंधन सेल द्वारा संचालित वायरलेस संवेदक तब उदाहरण के लिए दूरस्थ संरक्षण के लिए उपयोग किए जा सकते हैं।वस्तुतः किसी भी कार्बनिक पदार्थ का उपयोग ईंधन सेल को भरने के लिए किया जा सकता है, जिसमें अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों के युग्मन सेल शामिल हैं। रासायनिक प्रक्रिया अपशिष्ट जल और संश्लेषित अपशिष्ट जल दोहरे और एकल-कक्ष मध्यस्थ रहित माइक्रोबियल ईंधन सेलो (अनकोटेड ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड) में जैविक विद्युत का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया गया है।

जैविक फिल्म से ढके ग्रेफाइट धनाग्र के साथ उच्च शक्ति उत्पादन देखा गया। ईंधन सेल उत्सर्जन नियामक सीमाओं के अंतर्गत अच्छी तरह से हैं।[10] माइक्रोबियल ईंधन सेल मानक आंतरिक दहन इंजनों की तुलना में ऊर्जा को अधिक कुशलता से परिवर्तित करते हैं, जो कार्नोट के प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स) द्वारा सीमित हैं। सिद्धांत रूप में, एक माइक्रोबियल ईंधन सेल 50 प्रतिशत से कहीं अधिक ऊर्जा दक्षता के लिए सक्षम है।[11] रोजएंडऑल ने पारंपरिक हाइड्रोजन उत्पादन तकनीकों की तुलना में 8 गुना कम ऊर्जा निवेश के साथ हाइड्रोजन का उत्पादन किया।

इसके अतिरिक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल छोटे पैमाने पर भी कार्य कर सकते हैं। कुछ मामलों में विद्युत द्वार को केवल 7 माइक्रोन मोटा और 2 सेमी लंबा होना चाहिए,[12] जैसे कि एक माइक्रोबियल ईंधन सेल एक बैटरी को बदल सकता है। यह ऊर्जा का एक नवीकरणीय रूप प्रदान करता है और इसे रिचार्ज करने की आवश्यकता नहीं होती है।

माइक्रोबियल ईंधन सेल हल्की परिस्थितियों, 20°C से 40°C और लगभग 7 के pH पर अच्छी तरह से काम करते हैं[13] लेकिन कृत्रिम गतिप्रेरक जैसे दीर्घकालिक चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक स्थिरता की कमी है।

विद्युत घर शैवाल जैसे जलीय पौधों पर आधारित हो सकते हैं। यदि किसी मौजूदा विद्युत प्रणाली के निकट स्थित है, तो माइक्रोबियल ईंधन सेल प्रणाली अपनी विद्युत लाइनों को साझा कर सकती है।[14]


शिक्षा

मृदा-आधारित माइक्रोबियल ईंधन सेल शैक्षिक उपकरण के रूप में कार्य करते हैं, क्योंकि वे कई वैज्ञानिक विषयों (सूक्ष्म जीव विज्ञान, भू-रसायन शास्त्र, विद्युत् अभियांत्रिकी,आदि) को सम्मिलित करते हैं और सामान्यतः उपलब्ध सामग्रियों, जैसे मृदा और प्रशीतक यंत्र से वस्तुओं का उपयोग करके बनाए जा सकते हैं। गृह विज्ञान परियोजनाओं और कक्षाओं के लिए किट उपलब्ध हैं।[15]कक्षा में उपयोग किए जा रहे माइक्रोबियल ईंधन सेलो का एक उदाहरण विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए थॉमस जेफरसन हाई स्कूल के एकीकृत जीव विज्ञान,अंग्रेजी और प्रौद्योगिकी पाठ्यक्रम में है। अंतर्राष्ट्रीय सोसाइटी फॉर माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एंड टेक्नोलॉजी (आईएसएमईटी सोसाइटी) पर कई शैक्षिक चलचित्र और लेख भी उपलब्ध हैं।[16].

बायोसंवेदक

Main article: बायोसेंसर

एक माइक्रोबियल ईंधन सेल से उत्पन्न विद्युत ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले अपशिष्ट जल की कार्बनिक पदार्थ सामग्री के सीधे आनुपातिक है। माइक्रोबियल ईंधन सेल अपशिष्ट जल की विलेय सांद्रता को माप सकते हैं।[17] अपशिष्ट जल का सामान्यतः जैव रासायनिक ऑक्सीजन मांग बीओडी मूल्यों के लिए मूल्यांकन किया जाता है। बीओडी मान रोगाणुओं के उचित स्रोत के साथ 5 दिनों के लिए नमूनों को ऊष्मायन करके निर्धारित किया जाता है, सामान्यतः अपशिष्ट जल संयंत्रों से एकत्रित सक्रिय कीचड़ होते हैं।

एक माइक्रोबियल ईंधन सेल-टाइप बी ओ डी संवेदक तात्कालिक समय पर बीओडी मान प्रदान कर सकता है। ऑक्सीजन और नाइट्रेट धनाग्र पर पसंदीदा इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में हस्तक्षेप कर रहे हैं, माइक्रोबियल ईंधन सेल से वर्तमान पीढ़ी को कम कर रहे हैं। इसलिए, माइक्रोबियल ईंधन सेल बीओडी संवेदक इन इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता की उपस्थिति में बीओडी मानों को कम आंकते हैं। साइनाइड और अब्द जैसे टर्मिनल ऑक्सीडेज अवरोधक का उपयोग करके माइक्रोबियल ईंधन सेल में एरोबिक और नाइट्रेट श्वसन को बाधित करके इससे बचा जा सकता है।[18] ऐसे बीओडी संवेदक व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।

संयुक्त राज्य नौसेना पर्यावरण संवेदक के लिए माइक्रोबियल ईंधन सेलो पर विचार कर रही है। विद्युत पर्यावरण संवेदक के लिए माइक्रोबियल ईंधन सेलों का उपयोग लंबी अवधि के लिए शक्ति प्रदान कर सकता है और तार रहित आधारभूत ढांचे के पानी के नीचे के आँकड़ों के संग्रह और पुनर्प्राप्ति को सक्षम कर सकता है। इन ईंधन सेलों द्वारा बनाई गई ऊर्जा प्रारंभिक प्रवर्तन के उपरांत संवेदक को बनाए रखने के लिए पर्याप्त है।[19] समुद्र के नीचे की स्थितियों (उच्च नमक सांद्रता, उतार-चढ़ाव वाले तापमान और सीमित पोषक तत्वों की आपूर्ति) के कारण, नौसेना नमक-सहिष्णु सूक्ष्मजीवों के मिश्रण के साथ माइक्रोबियल ईंधन सेल कार्यरत कर सकती है जो उपलब्ध पोषक तत्वों के अधिक पूर्ण उपयोग की अनुमति देगी। शेवानेला ओनिडेंसिस उनका प्राथमिक उम्मीदवार है,लेकिन अन्य गर्मी और ठंड-सहिष्णु शीवनेला एसपीपी भी शामिल हो सकते हैं।[20] एक पहला स्व-संचालित और स्वायत्त बीओडी/सीओडी बायोसंवेदक विकसित किया गया है और मीठे पानी में कार्बनिक प्रदूषकों का पता लगाने में सक्षम बनाता है। संवेदक केवल माइक्रोबियल ईंधन सेल द्वारा उत्पादित विद्युत पर निर्भर करता है और बिना देख-रेख के लगातार कार्य करता है। यह संदूषण स्तर के बारे में सूचित करने के लिए सचेतक चालू करता है: संकेत की बढ़ी हुई आवृत्ति उच्च संदूषण स्तर के बारे में चेतावनी देती है,जबकि कम आवृत्ति कम संदूषण स्तर के बारे में सूचित करती है।[21]


बायो रिकवरी

2010 में, ए.टेर हाइजेन एट अल।[22] विद्युत उत्पत्ति करने और Cu^2+ को कम करने में सक्षम एक उपकरण का निर्माण किया।

हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेलो का प्रदर्शन किया गया है।[23]


अपशिष्ट जल उपचार

एनारोबिक पाचन का उपयोग करके ऊर्जा की कटाई के लिए माइक्रोबियल ईंधन सेल का उपयोग जल उपचार में किया जाता है। यह प्रक्रिया रोगजनकों को भी कम कर सकती है। यद्यपि, इसके लिए 30 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान की आवश्यकता होती है और बायोगैस को विद्युत में परिवर्तित के लिए एक अतिरिक्त कदम की आवश्यकता होती है। माइक्रोबियल ईंधन सेल में पेचदार प्रवाह बनाकर विद्युत उत्पादन बढ़ाने के लिए कुंडली स्पेसर्स का उपयोग किया जा सकता है। बड़े सतह क्षेत्र की विद्युत उत्पादन चुनौतियों के कारण माइक्रोबियल ईंधन सेल को माप क्रमित करना एक चुनौती है।[24]


प्रकार

मध्यस्थ युक्त

अधिकांश माइक्रोबियल सेल विद्युत रासायनिक रूप से निष्क्रिय होतें हैं। माइक्रोबियल सेलों से इलेक्ट्रोड तक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण मध्यस्थों जैसे थियोनिन, मिथाइल बायोल, मिथाइल ब्लू ,ह्युमिक एसिड और तटस्थ लाल द्वारा किया जाता है।[25][26] अधिकांश उपलब्ध मध्यस्थ महंगे और जहरीले होते हैं।

मध्यस्थ मुक्त

प्लांट माइक्रोबियल ईंधन सेल (प्लांट माइक्रोबियल ईंधन सेल)

मध्यस्थ-मुक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय जीवाणुओं जैसे कि शेवानेला पुट्रेफेसीन्स[27] और एरोमोनास हाइड्रोफिला [28] जीवाणु श्वसन एंजाइम से सीधे इलेक्ट्रोड में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए इनका उपयोग किया जाता है। कुछ विषाणु अपने इलेक्ट्रॉन उत्पादन को तनुरुहों के माध्यम से अपने बाहरी झिल्ली पर स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं। मध्यस्थ-मुक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल अच्छी तरह से विभाजित हैं, जैसे सिस्टम में उपयोग किए जाने वाले जीवाणु का स्ट्रैन आयन-विनिमय झिल्ली का प्रकार और प्रणाली की स्थिति जैसे- तापमान, पीएच, आदि)।

मध्यस्थ-मुक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल अपशिष्ट जल पर चल सकते हैं और कुछ पौधों से सीधे ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं2. इस विन्यास को प्लांट माइक्रोबियल ईंधन सेल के रूप में जाना जाता है। संभावित पौधों में ग्लिसेरिया मैक्सिमा ,तेज ,चावल, टमाटर, ल्यूपिनस और शैवाल सम्मिलित हैं।[29][30][31] यह देखते हुए कि विद्युत जीवित पौधों का उपयोग करके प्राप्त की जाती है, यह संस्करण पारिस्थितिक लाभ प्रदान कर सकता है।

माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस

Main article: माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल

मध्यस्थ-रहित माइक्रोबियल ईंधन सेल की एक भिन्नता माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल है। जबकि माइक्रोबियल ईंधन सेल पानी में कार्बनिक यौगिकों के जीवाणु अपघटन द्वारा विद्युत प्रवाह का उत्पादन करते हैं, माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल आंशिक रूप से बैक्टीरिया को विभव को लागू करके हाइड्रोजन या मीथेन उत्पन्न करने की प्रक्रिया को विपरीत कर देते हैं। यह ऑर्गेनिक्स के माइक्रोबियल अपघटन द्वारा उत्पन्न विभव को पूरक करता है, जिससे पानी या मीथेन उत्पादन का इलेक्ट्रोलिसिस होता है।[32][33] माइक्रोबियल इलेक्ट्रोसिंथेसिस में माइक्रोबियल ईंधन सेल सिद्धांत का विपरीत रूप पाया जाता है, जिसमें बहु-कार्बन कार्बनिक यौगिक बनाने के लिए बाहरी विद्युत प्रवाह का उपयोग करके विषाणु द्वारा कार्बन डाइऑक्साइड को कम किया जाता है।[34]


मृदा आधारित

एक मृदा आधारित माइक्रोबियल ईंधन सेल

मृदा-आधारित माइक्रोबियल ईंधन सेल मूल माइक्रोबियल ईंधन सेल सिद्धांतों का पालन करती हैं, जिससे मृदा पोषक तत्वों से भरपूर एनोडिक मीडिया, माइक्रोबियल इनोकुलेंट और प्रोटॉन विनिमय झिल्ली के रूप में कार्य करती है। एनोड को मृदा के भीतर एक विशेष गहराई पर रखा जाता है, जबकि कैथोड,मृदा के ऊपर टिका होता है और वायु के संपर्क में रहता है।

माइक्रोबियल ईंधन सेलों के लिए आवश्यक माइक्रोबियल जीवन में बायोइलेक्ट्रोजेनेसिस सहित मृदा स्वाभाविक रूप से मृदा जीव विज्ञान ,और जटिल शर्करा और अन्य पोषक तत्वों से भरे हुए हैं जो पौधे और पशु सामग्री के क्षय से जमा हुए हैं। इसके अलावा,मृदा में मौजूद एरोबिक जीव (ऑक्सीजन की खपत करने वाले) रोगाणु ऑक्सीजन फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं, प्रयोगशाला माइक्रोबियल ईंधन सेल व्यवस्था में उपयोग की जाने वाली महंगी पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली सामग्री की तरह, जो मृदा की रेडॉक्स क्षमता को अधिक गहराई से कम करने का कारण बनती है। मृदा आधारित माइक्रोबियल ईंधन सेल विज्ञान कक्षाओं के लिए लोकप्रिय शैक्षिक उपकरण बन रहे हैं।[15]

अपशिष्ट जल उपचार के लिए तलछट माइक्रोबियल ईंधन सेलों (विशेष माइक्रोबियल ईंधन सेल) को लागू किया गया है। सरल विशेष माइक्रोबियल ईंधन सेल अपशिष्ट जल को विसंदूषित करते हुए ऊर्जा उत्पन्न कर सकते हैं। ऐसे अधिकांश विशेष माइक्रोबियल ईंधन सेल में निर्मित आर्द्रभूमि की नकल करने के लिए पौधे होते हैं। 2015 तक विशेष माइक्रोबियल ईंधन सेल परीक्षण 150 L से अधिक हो गए थे।[35]

2015 में शोधकर्ताओं ने एक विशेष माइक्रोबियल ईंधन सेल अनुप्रयोग की घोषणा की जो ऊर्जा निकालती है और बैटरी चार्ज करती है। नमक पानी में धनात्मक और ऋणात्मक रूप से आवेशित आयनों में अलग हो जाते हैं एवं चलते हैं और संबंधित नकारात्मक और धनात्मक इलेक्ट्रोड का पालन करते हैं, बैटरी को चार्ज करते हैं और नमक को प्रभावित करने वाले माइक्रोबियल कैपेसिटिव डिसेलिनेशन को हटाना संभव बनाते हैं। अलवणीकरण प्रक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा की तुलना में रोगाणु अधिक ऊर्जा का उत्पादन करते हैं।[36] 2020 में, एक यूरोपीय अनुसंधान परियोजना ने लगभग 0.5 kWh/m3 की ऊर्जा खपत के साथ मानव उपभोग के लिए ताजे पानी में समुद्री जल का उपचार प्राप्त किया, जो कि वर्तमान ऊर्जा खपत में 85% की कमी का प्रतिनिधित्व करता है, जो अत्याधुनिक अलवणीकरण प्रौद्योगिकियों के संबंध में है। इसके अलावा,जिस जैविक प्रक्रिया से ऊर्जा प्राप्त की जाती है, वह पर्यावरण में इसके निर्वहन या कृषि / औद्योगिक उपयोगों में पुन: उपयोग के लिए अवशिष्ट जल को शुद्ध करती है। यह डिसेलिनेशन इनोवेशन सेंटर में हासिल किया गया है जिसे एक्वलिया ने 2020 की शुरुआत में डेनिया, स्पेन में खोला है।[37]


प्रकाशपोषित जैविक फिल्म

फोटोट्रोफिक जैविक फिल्म माइक्रोबियल ईंधन सेल एक फोटोट्रॉफिक जैविक फिल्म एनोड का उपयोग करते हैं जिसमें क्लोरोफाईटा और साइनोबैक्टीरीया जैसे प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीव होते हैं। वे प्रकाश संश्लेषण करते हैं और इस प्रकार कार्बनिक चयापचयों का उत्पादन करते हैं और इलेक्ट्रॉनों का दान करते हैं।[38]

एक अध्ययन में पाया गया कि प्रकाश पोषित माइक्रोबियल ईंधन सेल व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त शक्ति घनत्व प्रदर्शित करते हैं।[39]

प्रकाश पोषित माइक्रोबियल ईंधन सेल की उप-श्रेणी जो एनोड पर पूरी तरह ऑक्सीजनिक ​​प्रकाश संश्लेषक सामग्री का उपयोग करती है, उसे कभी-कभी जैविक फोटोवोल्टिक प्रणाली कहा जाता है।[40]


नैनोपोरस मेम्ब्रेन

संयुक्त राज्य नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला ने नैनोपोरस मेम्ब्रेन माइक्रोबियल ईंधन सेल विकसित किए हैं जो सेल के भीतर निष्क्रिय प्रसार उत्पन्न करने के लिए गैर-पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली का उपयोग करते हैं।[41] झिल्ली एक गैर झरझरा बहुलक फिल्टर (नायलॉन ,सेल्यूलोज ,या पॉलीकार्बोनेट) है। यह अधिक स्थायित्व के साथ नेफियन (एक प्रसिद्ध पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली ) की तुलनीय शक्ति घनत्व प्रदान करता है। झरझरा झिल्लियां निष्क्रिय प्रसार की अनुमति देती हैं जिससे पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्ली को सक्रिय रखने और कुल ऊर्जा उत्पादन में वृद्धि करने के लिए माइक्रोबियल ईंधन सेल को आपूर्ति की जाने वाली आवश्यक शक्ति कम हो जाती है।[42] माइक्रोबियल ईंधन सेल जो एक झिल्ली का उपयोग नहीं करते हैं, एरोबिक वातावरण में अवायवीय बैक्टीरिया को तैनात कर सकते हैं। हालांकि,झिल्ली रहित माइक्रोबियल ईंधन सेल स्वदेशी बैक्टीरिया और विद्युत की आपूर्ति करने वाले सूक्ष्म जीव द्वारा कैथोड संदूषण का अनुभव करते हैं। नैनोपोरस झिल्लियों का उपन्यास निष्क्रिय प्रसार कैथोड संदूषण की चिंता किए बिना एक झिल्ली-रहित माइक्रोबियल ईंधन सेल का लाभ प्राप्त कर सकता है। नैनोपोरस झिल्ली भी नेफियन (Nafion-117, $0.22/cm2) बनाम पॉलीकार्बोनेट (<$0.02/सेमी2) से 11 गुना सस्ती हैं।[43]


सिरेमिक झिल्ली

पॉलीमर इलेक्ट्रोलाइट झिल्लियों को सिरेमिक सामग्री से बदला जा सकता है। सिरेमिक झिल्ली की लागत $5.66/m जितनी कम हो सकती है।

सिरेमिक झिल्लियों की मैक्रोपोरस संरचना आयनिक प्रजातियों के अच्छे परिवहन की अनुमति देती है।[44]

जिन सामग्रियों को सिरेमिक माइक्रोबियल ईंधन सेल में सफलतापूर्वक नियोजित किया गया है वे मृदा के बरतन,अल्यूमिनियम ऑक्साइड ,मुलाइट, पाइरोफलाइट और टेरकोटा हैं।[44][45][46]



पीढ़ी प्रक्रिया

जब सूक्ष्मजीव एरोबिक स्थितियों में चीनी जैसे पदार्थ का सेवन करते हैं, तो वे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी का उत्पादन करते हैं। हालांकि,जबऑक्सीजन मौजूद नहीं है,तो वे सुक्रोज के लिए नीचे वर्णित कार्बन डाइऑक्साइड, हाइड्रोन (हाइड्रोजन आयन) और इलेक्ट्रॉनो का उत्पादन कर सकते हैं:[47]

C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e−

 

 

 

 

(Eqt. 1)

माइक्रोबियल ईंधन सेल उत्पादित सेलों और चैनल इलेक्ट्रॉनों केइलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में टैप करने के लिए अकार्बनिक मध्यस्थों का उपयोग करते हैं। मध्यस्थ बाहरी सेललिपिड झिल्ली और जीवाणु बाहरी झिल्ली को पार करता है; फिर यह इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करना शुरू कर देता है जो सामान्य रूप से ऑक्सीजन या अन्य मध्यवर्ती पदार्थों द्वारा लिया जाता है।

अब घटा हुआ मध्यस्थ इलेक्ट्रॉनों से लदे सेल से बाहर निकलता है जिसे वह एक इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित करता है; यह इलेक्ट्रोड एनोड बन जाता है। इलेक्ट्रॉनों की रिहाई प्रक्रिया को दोहराने के लिए तैयार मध्यस्थ को अपनी मूल ऑक्सीकृत स्थिति में पुन:चक्रित करती है। यह केवल अवायवीय परिस्थितियों में ही हो सकता है; यदि ऑक्सीजन मौजूद है, तो यह इलेक्ट्रॉनों को एकत्रित करेगा, क्योंकि इसमें अधिक दहन होता है।

माइक्रोबियल ईंधन सेल ऑपरेशन में, एनोड एनोडिक कक्ष में बैक्टीरिया द्वारा मान्यता प्राप्त टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता है। इसलिए, माइक्रोबियल गतिविधि एनोड की रेडॉक्स क्षमता पर अत्यधिक निर्भर है। एनोडिक क्षमता और एसीटेट संचालित माइक्रोबियल ईंधन सेल के विद्युत उत्पादन के बीच एक माइकलिस-मेंटेन वक्र प्राप्त किया गया था। ऐसा लगता है कि एक महत्वपूर्ण एनोडिक क्षमता अधिकतम विद्युत उत्पादन प्रदान करती है।[48]

संभावित मध्यस्थों में प्राकृतिक लाल, मेथिलीन नीला, थियोनाइन और रिसोरूफिन शामिल हैं।[49] विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने में सक्षम जीवों को एक्सोइलेक्ट्रोजेन कहा जाता है। इस धारा को प्रयोग करने योग्य विद्युत में बदलने के लिए, एक्सोइलेक्ट्रोजेन को ईंधन सेल में समायोजित करना पड़ता है।

मध्यस्थ और एक सूक्ष्म जीव जैसे खमीर, एक समाधान में एक साथ मिश्रित होते हैं जिसमें शर्करा जैसे एक कार्यद्रव्य जोड़ा जाता है। ऑक्सीजन को प्रवेश करने से रोकने के लिए इस मिश्रण को एक सीलबंद कक्ष में रखा जाता है, इस प्रकार सूक्ष्म जीवों को अवायवीय श्वसन करने के लिए मजबूर किया जाता है। एनोड के रूप में कार्य करने के लिए समाधान में एक इलेक्ट्रोड रखा जाता है।

माइक्रोबियल ईंधन सेल के दूसरे कक्ष में एक अन्य समाधान और सकारात्मक रूप से आवेशित कैथोड है। यह जैविक सेल के बाहर,इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के अंत में ऑक्सीजन सिंक के बराबर है। समाधान एक ऑक्सीकरण अभिकर्ता है जो कैथोड पर इलेक्ट्रॉनों को उठाता है। जैसा कि खमीर सेल में इलेक्ट्रॉन श्रृंखला के साथ होता है, यह विभिन्न प्रकार के अणु हो सकते हैं जैसे ऑक्सीजन, हालांकि एक अधिक सुविधाजनक विकल्प ठोस ऑक्सीकरण अभिकर्ता है, जिसके लिए कम मात्रा की आवश्यकता होती है।

दो इलेक्ट्रोड को जोड़ना एक तार (या अन्य विद्युत प्रवाहकीय पथ) है।परिपथ को पूरा करना और दो कक्षों को जोड़ना एक नमक पुल या आयन-विनिमय झिल्ली है। यह अंतिम विशेषता में वर्णित प्रोटॉन के उत्पादन की एनोड कक्ष से कैथोड कक्ष तक जाने की अनुमति देता है ।

कम किया हुआ मध्यस्थ सेल से इलेक्ट्रोड तक इलेक्ट्रॉनों को ले जाता है। यहां मध्यस्थ ऑक्सीकृत होता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों को जमा करता है। तब ये तार के पार दूसरे इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं, जो एक इलेक्ट्रॉन सिंक के रूप में कार्य करता है। यहां से वे ऑक्सीकरण सामग्री में जाते हैं। साथ ही हाइड्रोजन आयनों/प्रोटॉन को एनोड से कैथोड तक एक प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन जैसे नेफियन के माध्यम से ले जाया जाता है। वे कम सांद्रता प्रवणता की ओर बढ़ेंगे और ऑक्सीजन के साथ जुड़ेंगे लेकिन ऐसा करने के लिए उन्हें एक इलेक्ट्रॉन की आवश्यकता होगी। यह धारा उत्पन्न करता है और हाइड्रोजन का उपयोग सघनता प्रवणता को बनाए रखने के लिए किया जाता है।

माइक्रोबियल ईंधन सेल में कार्यद्रव्य के रूप में उपयोग किए जाने पर शैवाल जैवभार को उच्च ऊर्जा देने के लिए देखा गया है।[50]


यह भी देखें

संदर्भ

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