Микробный топливный элемент

Представленный проект, реализуется в рамках создания технологии переработки органических отходов пищевых предприятий. Основным звеном этой технологии являются "электрогенные" микроорганизмы, генерирующие электроны на поверхности клеточной стенки, в процессе гидролиза органического вещества. В разработанном микробном топливном элементе, микроорганизмы сбрасывают эти электроны на анод, формируя тем самым электрический ток в цепи между анодным и катодным электродами. Полученный электрический ток может быть направлен на совершение полезной работы. Таким образом разработанная технология, позволит не только решить проблему органических отходов, но и повысить энергоэффективность предприятия.

Категория
Инновационная Москва - биотехнологии и медицина
Автор проекта
Научный руководитель
Сергей Абрамов
Научное направление
Микробная биотехнология
Описание

Микробные топливные элементы (МТЭ) – это электрохимические устройства, способные трансформировать химическую энергию в электрическую за счёт метаболитической активности микроорганизмов, электрон транспортные цепи (ЭТЦ) которых, способны осуществлять перенос электронов на внешние нерастворимые акцепторы

Впервые возможность использования клеток микроорганизмов для генерирования электричества была продемонстрирована еще в 1912 г., но 90% опубликованных работ в этой области относится к последним 10-15 годам. В июне 2012 года международный научный журнал ChemSusChem (импакт-фактор 6,827) посвятил специальный выпуск технологии МТЭ (ChemSusChem, 2012, Volume 5, Issue 6). Главным образом, это вызвано перспективами использования МТЭ в очистке сточных вод и переработке различных типов отходов от сравнительно безопасных пищевых до токсичных и даже радиоактивных.

Биогеохимические реакции, происходящие с помощью микроорганизмов осуществляющих биоэлектрохимическое восстановление минеральных соединений в природе и генерирование электроэнергии в МТЭ, позволили понять, насколько глобальное значение имеют эти процессы. Выветривания горных пород и формирования почв, биогеохимические циклы С, Mn, Fe и других элементов; структурной единицей этих процессов становится система состоящая из микроорганизма взаимодействующего с поверхностью минеральной частицы. Таким образом, очевидно, что на нашей планете существует значительное количество микроорганизмов, способных осуществлять процессы электрохимического восстановления минеральных соединений, тем самым обеспечивая себя энергией для выживания. Многие из этих микроорганизмов могут осуществлять эти реакции и в искусственных системах, таких как микробный топливный элемент, где анодный электрод имитирует нерастворимый акцептор электронов. Становится очевидным, что одним из важнейших направлений для развития технологии МТЭ является поиск оптимальных микроорганизмов способных активно функционировать в системе МТЭ и повышение эффективности транспорта электронов между клетками и электродом. Например, бактерии рода Geobacter в 10000 раз активнее переносят электроны на естественный акцептор (соединения железа), чем на электрод (Holzman D.C. Microbe power. Environ // Health Persp., 2005. 113: 754–757.).

Мы разработали уникальную конструкцию МТЭ, в анодной камере которого осуществляли микробную переработку послеспиртовой. Микроорганизмы утилизирующие барду, в тоже время формируют биоплёнки на анодном электроде, передавая электроны на его поверхность и генерируя тем самым электрический ток. Для увеличения электрической мощности системы, достаточно было последовательно подключить несколько МТЭ в одну электрическую цепь. При этом электрическая мощность значительно возрастала. Дальнейшее развитие разработанной нами системы предполагает её масштабирования и подбор оптимальных материалов анодного и катодного электродов, а также мембраны разделяющей анодную и катодную часть МТЭ. Решение этих задач, позволит создать полупромышленный образец установки и приступить к испытаниям в условиях реального производственного процесса.

 

Практическая значимость

Ферментные и микробные топливные элементы можно использовать для переработки "сырья с отрицательной стоимостью", то есть органических отходов, в любой точке страны, где таковые производятся. Технология может быть использована для создания промышленных установок на пищевых и деревоперерабатывающих предприятиях, сельскохозяйственных фермах и в муниципальных хозяйствах. Установки могут быть оптимизированы и для использования частными лицами. Биоэлектрохимические основы разрабатываемой технологии обладают перспективами внедрения и в других промышленных областях: создание биосенсоров (в том числе для медицинских нужд), создание автономных источников питания для роботизированной автономной и радиоуправляемой техники, создание микробных электролизных элементов и мн. др.

Положительный экономический эффект обоснован в возможностью реализации на практике безотходных производств замкнутого цикла. Поэтому, основные потребители нашей научно-технической продукции, крупные предприятия, производители органических отходов, смогут сократить затраты на утилизацию органических отходов в очистных сооружениях. Кроме того, они получают возможность производить дополнительный продукт – электроэнергию из сырья с отрицательной стоимостью. Электроэнергия может быть использована на собственные нужды предприятия. В этом случае, сокращаются затраты на закупку природного газа. Кроме того электроэнергия может быть продана местным электроэнергетическим компаниям. Таким образом, потребители будут экономить на утилизации отходов и на затратах по снабжению предприятия энергией. Сложность разрабатываемых систем не высока. Предполагается, что с реакторами среднего размера сможет работать специалист-инженер, прошедший краткосрочную стажировку по работе с промышленным биологическим топливным элементом. Таким образом, вероятно удастся избежать и затрат на дополнительный обслуживающий персонал для установок по микробной переработке органических отходов в электроэнергию.

В тоже время значимость разрабатываемых технологий не вызывает сомнения, поскольку основной их задачей является борьба с отходами предприятий, наносящими, как правило, серьёзный урон окружающей среде (загрязнения грунтовых вод, рек, береговых линий морей, почвы и воздуха) и соответственно здоровью человека.

Ресурсы и потребности

Для дальнейшего развития проекта и создания пилотного образца установки необходимы инвестиции в размере 50 млн рублей.

Партнеры

Химический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова.

Уровень активности
88
История проекта

Участник тренинга Клуба InnoStar 13 сентября; Участник Science Challenge 27 сентября; Участник тренинга Клуба InnoStar 7 октября; Участник Science Challenge 24 октября; Участник тренинга Клуба InnoStar 26 октября; Активный участник Science Challenge 7 ноября







Отправить ссылку: