Prof. dr hab. inż. Wiesław Ciechanowicz
Konsorcjum  Bioenergia na Rzecz Rozwoju Wsi
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe przetwarzające
ścieki organiczne bezpośrednio w elektryczność
Dążeniu ludzkości do zrównoważonej przyszłości towarzy- wartości prądu lub napięcia powstaje konieczność łączenia sze-
szy wzrastające zapotrzebowanie na energię. Będzie ono coraz regowo lub równolegle odpowiedniej liczby ogniw paliwowych.
większe między innymi ze względu na fakt, że zużycie energii Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe charakteryzują się niższą
przez 80% ludności świata, zamieszkującej Azję, Afrykę oraz gęstością mocy niż inne ogniwa paliwowe zasilane na przykład
Amerykę Południową, wynosiło w 2000 roku 4,4% ogólnego bezpośrednio wodorem. Mogą być jednak jedynymi zastosowa-
zużycia w skali świata. nymi w najbliżej przyszłości po to, aby równocześnie utylizować
Wyzwaniem dla ludzkości staje się także konieczność stoso- wszelkie ścieki, a więc zmniejszać zanieczyszczenie wód oraz
wania z
ródeł energii neutralnych wobec efektu cieplarnianego. wytwarzać energię elektryczną.
Równocześnie obserwuje się znaczny przyrost udziału ludno- W wyniku przetwarzania termicznego stałych odpadów można
ści mieszkającej w miastach. W 1990 r. udział ten wynosił 40%, by uzyskać energię ekwiwalentną 0,48 mld ton węgla rocznie
w 2000 r. przekroczył 50%. Oczekuje się, że w 2025 r. może mogącą zaspokoić potrzeby 3 mld mieszkańców, obecnie za-
osiągnąć 60%. W miastach następuje duże zagęszczenie użyt- mieszkujących tereny zurbanizowane [9].
kowników energii przypadających na jednostkę powierzchni. Na podstawie publikowanych danych, uzyskiwanych w wielu
W tej sytuacji jedynym możliwym odnawialnym z
ródłem energii instytucjach naukowych, stwierdzić można, że gęstość energii
mogłyby być odpady przemysłowe i komunalne tworzone przez w mikrobiologicznych ogniwach paliwowych zawierała się w dość
śmieci i ścieki, zawierające substancję materialną. szerokim zakresie 200 4300 mW/m2. Trudno dziś przewidywać,
Dla obecnie osiągalnych biotechnologii, biomasa jako pier- jaka wartość z tego zakresu będzie ogólnie osiągalna po przekro-
wotny nośnik energii jest zbyt droga, aby wytwarzane wtórne czeniu progu opanowania technologicznego omawianych ogniw,
nośniki energii pochodzenia biologicznego spełniały uwarunko- spełniając równocześnie warunek ekonomicznej opłacalności.
wania ekonomiczne. Istnieje więc ze wszech miar pilna potrzeba Niezależnie od tego, nie należy oczekiwać, że zasoby biomasy
opracowywania nowych technologii, neutralnych wobec efektu w formie ścieków, jako z
ródło wodoru, a więc elektronów, byłoby
cieplarnianego i ekonomicznie opłacalnych i do tego mogących wystarczające, aby zapewnić przejście cywilizacji do ekonomii
mieć zastosowanie na terenach zurbanizowanych. wodoru w skali globalnej. Natomiast byłoby możliwe, aby ludzkość
Istnieje szereg sposobów umożliwiających konwersję bioma- pozyskując wodór ze wszelkich ścieków, miała szansę równocze-
sy do bioenergii. Jedną z nich jest opanowana technologicznie śnie oczyszczania wód w skali globalnej.
beztlenowa fermentacja metanowa [1, 2]. Inną technologią po- Dlatego nie dokonuje się oceny skali możliwej substytucji
zwalającą przetwarzać biomasę do bioenergii jest beztlenowa energii nieodnawialnej na terenach zurbanizowanych mikrobio-
fermentacja biomasy do etanolu względnie wodoru. logicznym przetwarzaniem ścieków bezpośrednio do energii
W wielu instytucjach naukowych niektórych krajów, szczególnie elektrycznej.
w USA, Belgii, Holandii, Korei, Niemiec, opracowuje się technologie Należy jednak zauważyć, że skala substytucji energii nieod-
bezpośredniej przemiany substancji materialnej, zawartej w ście- nawialnej ściekami będzie znacznie wzrastać, gdyż:
kach komunalnych i przemysłowych, bezpośrednio w energię elek- l� pozostają do wykorzystywania w podobny sposób wszelkie
tryczną. Są to mikrobiologiczne ogniwa paliwowe wykorzystujące ścieki produkcji roślinnej i przemysłowej oraz ścieki gospo-
bakterie [3-8]. Istotą mikrobiologicznego ogniwa paliwowego jest to, darstw domowych na terenach niezurbanizowanych,
że mikroorganizmy  czerpią elektrony bezpośrednio z atomów wo- l� omawiane technologie mogą być osiągalne w bliskiej przy-
doru, zawartego w molekułach związków organicznych, stanowią- szłości,
cych ciekłe odpady, w sensie pierwotnych nośników energii. Tworzą l� rozwój technologii mikrobiologicznych ogniw paliwowych nie
w ten sposób prąd elektronów, a więc prąd elektryczny. Oznacza to, będzie wymagał znacznych nakładów finansowych, tak jak
że w ogniwie tym nie występują procesy pośrednie. Jeżeli spraw- w przypadku innych z
ródeł odnawialnych względnie ener-
ność konwersji stanowiłaby 30%, byłby to najbardziej sprawny gii jądrowej.
proces wytwarzania elektryczności. Ponadto, stosując mikrobiologiczne ogniwa paliwowe można
Napięcie, przy którym uzyskuje się moc, wynosi 0,5 V na by nie tylko  czerpać bezpośrednio energię ze ścieków, ale także
pojedynczym biologicznym ogniwie. W celu uzyskania pożądanej je utylizować, oszczędzając znaczne sumy.
strona 220 www.energetyka.eu marzec 2008
Dla przykładu, koszt utylizacji 125 litrów ścieków w USA wy- Potencjalnymi substancjami organicznymi, wykorzystywanymi
nosi 25 USD rocznie. Według prof. Bruce Logana, (USA), twórcy w produkcji energii elektrycznej przez mikroorganiczne ogniwa
technologii  czerpania elektronów ze ścieków, wartość potencjal- paliwowe mogą być: ścieki komunalne, osady morskie, ciekłe
nej energii zawartej w ściekach jest około 10-krotnie większa niż odpady ludzkie i zwierzęce, ciekłe odpady pochodzenia rolniczego
stanowi koszt ich utylizacji. Technologia w skali pilotowej ma być i przemysłowego.
osiągalna za 1 do 3 lat, a komercjalizacja w ciągu 10 lat. Słowa Elementami substancji organicznej podlegającej biodegradacji
te zostały wypowiedziane w 2004 roku i opublikowane przez The są: węglowodany, glukoza, skrobia, kwasy tłuszczowe, octowe,
American Society of Mechanical Engineers. butanowe, aminokwasy, proteiny.
Biokonwersja
Zasada działania mikrobiologicznego ogniwa
paliwowego W wyniku konwencjonalnej fermentacji beztlenowej wyko-
rzystującej proces konwersji biologicznej powstaje biogaz. Pro-
Bakterie1) stają się z
ródłem energii, gdy przekazują elektrony duktem beztlenowej fermentacji biomasy jest metan lub wodór,
od darczyńcy elektronów, takiego jak glukoza, do akceptora w stanowiące wtórne nośniki energii. Obydwa mogą być spalane
sensie odbiornika elektronów, takiego jak tlen, w wyniku czego w atmosferze tlenu, ze sprawnością 30%, względnie wykorzy-
uzyskuje się wodę. To przekazywanie odbywa się w mikrobio- stywane jako z
ródła wodoru w ceramicznych i polimerowych
logicznym ogniwie paliwowym, w którym bakterie stanowią bio- ogniwach paliwowych odpowiednio ze sprawnością 90% i po-
katalizatory w bezpośredniej przemianie substancji organicznej nad 50%. Obydwie technologie posiadają wady i zalety.
w elektryczność [3, 8]. Pierwszą wadą beztlenowej fermentacji jest konieczność ma-
W miarę wzrostu potencjalnej różnicy pomiędzy darczyńcą gazynowania biogazu. Ponadto biogaz zawiera siarkowodór, któ-
a akceptorem wzrasta znaczenie bakterii jako z
ródła energii. rego usuwanie jest obarczone znacznymi kosztami. Ze względów
W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym bakterie nie przekazują ekonomicznych nie może więc konkurować ze z
ródłami nieodna-
bezpośrednio wytwarzanych elektronów do ich finalnych akcep- wialnymi. Istotą  elektrochemicznych ogniw paliwowych (jak ogni-
torów, lecz są one kierowane do anody. wa ceramiczne i polimerowe), dokonujących dekompozycji wodoru
Bakterie na anodzie utleniają substancję organiczną oraz na anodzie, jest  pobieranie z atomów wodoru bezpośrednio
przemieszczają elektrony do katody poprzez obwód zewnętrzny, elektronów, tworzących w obiegu zewnętrznym prąd. y
ródłem
wytwarzając w ten sposób prąd elektryczny. wodoru w tych ogniwach są wtórne nośniki energii, uzyskiwane
Protony wytwarzane na anodzie przemieszczają się poprzez w wyniku przetwarzania pierwotnych nośników energii.
membranę do katody, gdzie łączą się z tlenem i elektronami Istotą mikrobiologicznego ogniwa paliwowego, jak już wspo-
tworząc wodę. mniano, jest fakt, że z
ródłem wodoru są ciekłe odpady, jako
Bezpośrednia transmisja elektronów z bakterii do elektrod jest pierwotne nośniki energii, bezpośrednio z których mikroorganizmy
uwarunkowana opornością transmisji. W celu redukowania tej same  czerpią elektrony. Tworzą w ten sposób prąd elektronów,
oporności istnieje potrzeba powiększania powierzchni elektrod, a więc prąd elektryczny. Dominującym ograniczeniem mikro-
względnie czynników pośredniczących w transmisji elektronów, biologicznych ogniw paliwowych w obecnym czasie jest niska
określanych mianem  mediatorów . efektywność katod. Ponadto eksploatacja i koszty materiałowe
Bakterie, które zidentyfikowano jako mogące uczestniczyć są znaczne, co utrudnia obecnie współzawodnictwo z konwen-
w wytwarzaniu energii elektrycznej w mikrobiologicznych ogni- cjonalnymi technologiami.
wach paliwowych, należą do rodzaju: Geobacter, Shewanella, Jednak w porównaniu z konwencjonalną biokonwersją, mikro-
Pseudomonas i innych. organiczne ogniwo paliwowe charakteryzuje się wieloma zaletami.
Rodzaj stosowanych bakterii w mikroorganicznych ogni- Są to przede wszystkim: niski poziom koncentracji substratów oraz
wach paliwowych może oddziaływać na gęstość energii oraz na temperatura poniżej 20�C. Nie oznacza to, że mikroorganiczne
sprawność przetwarzania. ogniwo paliwowe współzawodniczy z beztlenową fermentacją,
lecz że może ją uzupełniać. Przykładem może być produkcja
1)
Bakterie są to organizmy jednokomórkowe o prostej budowie, wielkości od wodoru wykorzystująca obydwie technologie [5].
0,2 do kilkudziesięciu �m. Rozmnażają się najczęściej przez podział bezpo-
W procesie beztlenowej fermentacji w atmosferze tlenu bio-
średni, lecz istnieją mechanizmy wymiany materiału genetycznego między
masa ulega przemianie utleniania. Równanie poniżej przedstawia
komórkami. W warunkach niekorzystnych mogą wytwarzać przetrwalniki,
które są niezwykle odporne na działanie czynników środowiskowych. Bakterie
przemianę utleniania glukozy jako jednej z form biomasy
zamieszkują wszelkie środowiska i mogą bytować tam, gdzie nie istnieją ja-
kiekolwiek formy życia. Większość z nich to organizmy cudzożywne: saprofity
lub pasożyty produkujące szkodliwe toksyny bakteryjne.
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O
Bakterie mają największe znaczenie w przyrodzie  umożliwiają życie na ziemi.
Biorąc udział w mineralizacji substancji organicznych są jednym z głównych
W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym materia organiczna
czynników umożliwiających krążenie materii w przyrodzie. Przykładem mogą
być bakterie azotowe, tworzące cykl azotu w ekosystemie ziemskim, trans-
jest utleniana na anodzie, której produktem jest CO2 oraz protony
formujące azot atmosferyczny w związki chemiczne.
i elektrony. Dla przypadku glukozy [5]:
Enzymy stanowią ważną biologiczną grupę białek, zwane dawniej również
fermentami. Są to katalizatory żywej komórki, mogą być także katalizatorami,
analogicznie jak bakterie, przemiany materii organicznej.
anoda C6H12O6 + 6 H2O 6 CO2 + 24 H+ + 24 e
Substratami nazywamy substancje ulegające przekształceniom pod wpły-
wem enzymów względnie bakterii. katoda 24 H+ + 24 e + 6 O2 12 H2O
marzec 2008 www.energetyka.eu strona 221
W sumie uzyskuje się bakteryjnych wspólnot, określanych mianem elektrochemicznego
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + energia elektryczna aktywnego konsorcjum, uzyskiwanego ze ścieków.
Stosując beztlenową fermentację określonych form biomasy Istnieje szereg hipotez dotyczących przemieszczania elektro-
istnieje możliwość produkcji wodoru, jednakże o stosunkowo małej nów katalizowanych przez mikroorganizmy w mikrobiologicznym
wydajności. Największą wydajność produkcji wodoru można uzy- ogniwie paliwowym. Obejmuje to konwencjonalną koncepcję
skać z beztlenowej fermentacji glukozy otrzymując równocześnie przemieszczania się elektronów współdziałającą z membraną
wodór i kwas octowy, co przedstawia równanie wymiany protonów względnie z czynnikami pośredniczącymi
C6H12O6 + 2 H2O 4 H2 + 2 CO2 + 2 C2H4O2 zwanymi mediatorami.
Można by uzyskać 4 mole H2/mol glukozy. Jednakże wy- Ostatnio odkryto, że bakterie w mikrobiologicznym ogniwie
dajność obecnie osiągalnej technologii beztlenowej fermentacji paliwowym mogą same wytwarzać mediatory [10]. Istnieją trzy
wynosi 2  3 mole H2/mol glukozy. Wykorzystując wytwarzany jako sposoby transmisji elektronów do anody przez mikroorganizmy.
katalizator kwas octowy w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym Jest to stosowanie:
uzyskuje się dodatkowo  mediatorów egzogenicznych, takich jak potassium ferric cy-
C2H4O2 + 2 H2O 2 CO2 + 8 H+ + 8 e nanide, thionine,
8 H+ + 8 e 4 H2  mediatorów wytwarzanych przez bakterie względnie poprzez:
A
ącząc beztlenową fermentację z utlenianiem kwasu octo-  bezpośrednią transmisję elektronów z enzymów (cytochromes)
wego na elektrodzie w biologicznym ogniwie paliwowym można do elektrody.
by uzyskać 12 moli H2/mol glukozy. Wymagane napięcie na kato- Mediatory umożliwiają przekazywanie elektronów z wnętrza
dzie ogniwa w przypadku produkcji wodoru powinno wynosić biologicznych ogniw paliwowych do elektrod.
410 300 mV. Byłoby ono znacznie mniejsze, gdyby stosowano Istnieje szereg przeciwwskazań w stosowaniu egzogenicznych
elektrolizę wody; zawierałoby się w granicach 1800 2000 mV. mediatorów, takich jak koszty dodatkowe, krótki czas życia i tok-
Pozyskując protony i elektrony z substancji materialnej zamiast syczne oddziaływanie na mikroorganizmy. Jednakże, gdy bakterie
z wody, stosując mikrobiologiczne ogniwo paliwowe, istnieje wytwarzają własne mediatory, względnie przekazują elektrony
możliwość bezpośredniej produkcji wodoru przy niskim napięciu. bezpośrednio do elektrody, działanie systemu charakteryzuje się
Przedstawiona technologia, opublikowana po raz pierwszy w 2005 wysokim poziomem aktywności. Określa się taki system jako nie
roku, objęta patentem USA, nie tylko pozwala wykorzystywać wymagający egzogenicznej mediacji.
ścieki, ale także znacznie redukuje zapotrzebowanie na energię Problem aktywności biokatalizy w mikrobiologicznym ogniwie
w porównaniu z ogólnie stosowaną elektrolizą wody. paliwowym nie jest dotychczas dobrze rozpoznany. Dotyczy to
Konwencjonalną technologię beztlenowej fermentacji oraz aktywności wspólnot mikrobiologicznych, ich struktury oraz roli,
technologię mikrologicznych ogniw paliwowych można rozważać jaką mogą pełnić w procesie katalizy. Dlatego wymagane jest roz-
jako technologie mogące się wzajemnie uzupełniać. Połączenie poznawanie tego zjawiska. Zagadnieniem wymagającym lepszego
tych dwóch technologii powiększyłoby zakres zastosowania. poznania jest także transmisja elektronów. Innymi problemami
Podczas gdy beztlenowa fermentacja może być stosowana na wymagającymi lepszego rozpoznania są straty omowe, reakcje
skalę przemysłową pracującą w temperaturze powyżej 30�C, tech- zachodzące na katodzie.
nologia mikrobiologicznego ogniwa paliwowego może stanowić
technologię niskotemperaturową o zastosowaniu lokalnym [5].
W celu przezwyciężenia szeregu czynników limitujących Parametry określające pracę ogniwa [11]
zastosowanie mikrobiologicznych ogniw paliwowych, w tym eko-
nomiczną opłacalność, problemami, które należałoby rozwiązać Moc wytwarzaną w mikrobiologicznym ogniwie paliwowym
w bliskiej perspektywie są to obniżenie kosztów materiałowych warunkują zarówno procesy biologiczne jak i elektrochemiczne. Są
oraz eksploatacji. Możliwym rozwiązaniem w chwili obecnej, to: szybkość zachodzenia reakcji, potencjalne napięcie na anodzie
zanim nastąpi masowa produkcja mogąca czynić je opłacalnymi i katodzie. Szybkość zachodzenia reakcji warunkuje ilość bakterii
ekonomicznie, jest integracja obydwu technologii w sensie wza- w ogniwie, właściwości transmisji w reaktorze, kinetyka bakterii
jemnego uzupełniania się. (szybkość wzrostu bakterii oraz ich powinowactwo), sprawność
procesu transmisji protonów przez membranę.
Parametrami wpływającymi na potencjalne napięcie anody są:
Biokataliza wielkość powierzchni, właściwości elektrochemiczne elektrody
oraz zdolność transmisji elektronów. Podobnie jak na anodzie
W beztlenowej fermentacji mikroorganizmy katalizują proces występują straty napięcia na katodzie. Są stosowane sposoby
fermentacji. W mikrobiologicznych ogniwach paliwowych, w za- określania sprawności mikrobiologicznego ogniwa paliwowego.
leżności od konfiguracji oraz celu zastosowania, mikrobiologiczny Są to sprawność Coulombowska i energetyczna. Istnieją pomiędzy
katalizator może stanowić wspólnotę bakteryjną jednorodną lub nimi znaczne rozbieżności.
niejednorodną, a więc mieszaną. Sprawność Coulombowską wyznacza liczba elektronów
W przypadku wspólnoty jednorodnej, biokataliza jest cechą transmitowanych odniesiona do liczby elektronów teoretycznie
aktywności tylko jednej bakteryjnej wspólnoty. W przypadku generowanych przez substrat. Sprawność energetyczna także
wspólnoty niejednorodnej aktywność mikrobiologicznego ogni- dotyczy energii transmitowanych elektronów, determinowanej
wa paliwowego stanowi wzajemne oddziaływanie wszystkich napięciem i natężeniem.
strona 222 www.energetyka.eu marzec 2008
Jednakże natężenie prądu i moc nie zawsze stanowią jed- Wśród ogniw paliwowych, w których katalizatorem są bak-
noznaczną miarę. Wobec tego akcent powinien być położony terie, rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje: te które generują
na szybkość transmisji elektronów w określonych warunkach, elektryczność przy udziale mediatorów jako substancji pośred-
uwzględniając między innymi oporność. niczącej oraz te, które nie wymagają mediatorów. Największą
Optymalizacja w sensie biologicznym dotyczy wyboru wła- gęstość mocy, publikowaną do 2004 roku, jest 3600 mW/m2.
ściwych biologicznych konsorcjów oraz adaptacja bakterii do Sądzi się, że w tym przypadku zastosowano mediatory. Dokonano
optymalnych uwarunkowań reaktora. tego w Laboratory for Microbial Ecology and Technology, Ghent
Bakterie Geobacter sulfurreducens oraz Rhodferax ferrire- University, Belgia.
ducens charakteryzują się zdolnością transmisji do elektrody Konfiguracje mikrobiologicznych ogniw paliwowych mogą
większości elektronów uzyskiwanych z kwasu octowego i glukozy. obejmować zarówno konfigurację dwukomorową, cylindryczną,
W systemie wsadowym uzyskano sprawność Coulombowską rurową, w postaci układu zgrupowanego względnie kombinacji
do 89%. Istotnymi parametrami wpływającymi na Coulombowską elektrod w układzie otwartym osadowym [4, 5].
sprawność są: przemiana bakteryjna, transmisja elektronów, Opracowano rozwiązania pozwalające zastępować produkcję
membrana wymiany protonów, oporność wewnętrzna elektrolitu, w układzie wsadowym jako nieciągłą do wytwarzania w sposób
sprawność transmisji elektronów przez tlenowe katody. ciągły. Opracowano możliwość wzrostu mocy wyjściowej mi-
krologicznych ogniw paliwowych poprzez: izolację określonych
mikrobiologicznych organizmów, selekcję czynników pośredniczą-
Biomasa jako paliwo w mikrobiologicznych cych  mediatorów wytwarzających organizmy, elektrochemiczną
ogniwach paliwowych optymalizację powierzchni elektrod.
Wartość napięcia prądu mikrobiologicznego ogniwa paliwowe-
Biomasa każdego rodzaju może stanowić pierwotny nośnik go nadal będzie ograniczona i nie będzie mogła przekroczyć teo-
energii bez względu czy jest rośliną spożywczą, energetyczną retycznej wielkości pojedynczego ogniwa wynoszącej 1,14 V.
czy też stanowi odpady. Substancjami organicznymi, wykorzysty- Maksymalną wartość natężenia prądu mają determinować:
wanymi w produkcji energii elektrycznej przez mikrobiologiczne l� rozwiązanie konstrukcyjne mikrologicznych ogniw paliwowych,
ogniwa paliwowe mogą być: węglowodany, ścieki komunalne, określające straty elektrochemiczne wynikające z wewnętrznej
osady morskie, odpady ludzkie i zwierzęce, odpady pochodze- oporności, ograniczeń transportu konwekcyjnego i różnicy
nia rolniczego i przemysłowego. gęstości,
l� pojemność objętościowa, reprezentującą całkowitą liczbę elek-
tronów wytwarzaną przez substraty wytwarzające prąd,
Konfiguracja l� sprawność Coulombowską.
Wzrost napięcia lub prądu następuje poprzez łączenie mikro-
W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym bakterie są pobu- logicznych ogniw paliwowych szeregowo lub równolegle.
dzane do transmisji elektronów do elektrody, z której przemieszają Można zauważyć, że wytwarzanie prądu elektrycznego w mi-
się do zewnętrznego obwodu elektrycznego [3]. krobiologicznych ogniwach paliwowych jest procesem mikrobiolo-
Ogniwa te są projektowane w wielu konfiguracjach. Jedną gicznym uzależnionym od warunków zewnętrznych. Oznacza to,
z nich jest dwukomorowy system, gdzie bakterie w komorze że obwód zewnętrzny, w sensie użytkownika prądu, mógłby mieć
anody są odseparowane od komory katody membraną służącą wpływ na mikrobiologiczną produkcję elektryczności. Ponadto,
wymianie protonów. W większości dwukomorowych ogniw stosuje mikrobiologiczne ogniwa paliwowe połączone szeregowo lub
się wodne katody, gdzie wspólnie z powietrzem dostarcza się tlen równolegle mogłyby nie pracować niezależnie, których produkcja
do elektrody. Wielkość mocy generowanej zależy od powierzchni mogłaby być uzależniona od innych ogniw. Dotychczas nie rozpo-
katody w relacji do powierzchni anody oraz membrany. Gęstość znano wpływu połączenia szeregowego względnie równoległego
mocy wytwarzanej jest ograniczana wysoką wewnętrzną oporno- na aktywność mikrobiologicznego katalizatora.
ścią oraz stratami na elektrodzie. W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym mikroorganizmy
W celu zwiększenia mocy wyjściowej oraz redukcji kosztów mi- są zgrupowane w biologicznej warstwie i współżyją w bliskim
krobiologicznego ogniwa paliwowego badano ogniwo z powietrzną kontakcie z elektrodą [8]. Adaptacja względnie zmiana mikrobio-
katodą, eliminując równocześnie polimerową membranę wymiany logicznej wspólnoty (środowiska) będzie miała wpływ na budowę
protonów. Stanowi ono jednokomorowy system o konfiguracji i właściwości biologicznej warstwy. Warstwa biologiczna stanowi
z powietrzną katodą. Tworzą ją anoda i katoda umieszczone po część elektrolitu, stąd zmiana kompozycji lub struktury biologicznej
przeciwnych brzegach cylindrycznej komory. warstwy mogłaby wpływać na elektrochemiczną charakterystykę,
Uzyskano znacznie większą gęstość mocy, wynoszącą 262 w tym straty w wytwarzaniu prądu.
mW/m2, w porównaniu z przypadkiem, gdy stosowano wodną W mikrobiologicznym ogniwie paliwowym starty elektroche-
katodę. Po usunięciu membrany uzyskana gęstość mocy wzrosła miczne są rozpoznawane jako:
do 494 mW/m2. Stanowi to rozwiązanie pozwalające zmniejszać  straty aktywacji, które mogą być powiększane w wyniku ruchu
koszt o konfigurację mikrobiologicznego ogniwa pozbawionego wytwarzanych mikrobiologicznie elektronów,
polimerowej membrany, w której katoda węglowa jest bezpo-  straty omowe wynikające z oporności elektrolitu i elektrod,
średnio zasilana powietrzem. W pracy podano rodzaj ogniwa,  straty masowego przemieszczania, powstające w wyniku
w którym osiągnięto gęstość mocy 788 mW/m2. zmniejszania się oporności powierzchni elektrody.
marzec 2008 www.energetyka.eu strona 223
Dotąd nie ustalono zależności pomiędzy parametrami elektro- Obecnie 40% osiągalnej wody o określonej jakości w skali
chemicznymi z jednej strony oraz pomiędzy rozwojem wspólnoty świata jest wykorzystywana dla funkcjonowania ludności na globie
mikrobiologicznej z drugiej strony. ziemskim. Udział ten będzie wzrastał do 80% w 2025 roku, a to
między innymi ze względu na degradację jakości wody w wyniku
Dotychczasowe wyniki zanieczyszczenia wszelkiego rodzaju ściekami.
Powstaje pytanie, czy te ciekłe odpady, zawierające atomy
Mikrobiologiczne ogniwa paliwowe stają się prostą tech- węgla i wodoru, mogą być bezpośrednim z
ródłem energii. Czy ist-
nologią. Z pewnością mogą znalez
ć zastosowanie w utylizacji nieje możliwość wytwarzania energii z odpadów i równocześnie je
ścieków przy akceptowalnej przez rynek cenie. Pod warunkiem utylizować, a więc czynić je mniej szkodliwymi dla środowiska.
rozwiązania szeregu problemów biologicznych oraz zmniejszania We wspólnym artykule opublikowanym w lipcu 2006 roku
kosztów elektrod, technologia ta kwalifikuje się jako nowa tech- przez autorów z USA, Belgii, Holandii, Niemiec oraz Australii,
nologia bezpośredniej przemiany między innymi węglowodanów pod tytułem Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology,
do elektryczności w nadchodzących latach. a także w kolejnym artykule, z lipca 2006 roku, naukowcy z USA,
W latach 2004 2006 sukcesywnie wzrastała liczba publika- Kanady, Japonii i Korei, wskazali, że jest to możliwe.
cji dotyczących rozwoju mikrobiologicznych ogniw paliwowych. Dowodem na to jest tak wielkie zaangażowanie się krajów
Obejmowały one prace: podstawowe, wymagające wiedzy z róż- z czterech kontynentów świata o najwyższym produkcie krajowym
nych dziedzin, począwszy od mikrobiologii, elektrochemii poprzez brutto na mieszkańca, przewyższającym wartość 30 000 USD/mk,
naukę o środowisku do zagadnień materiałowych i technologicz- jak USA, Kanada, Belgia, Holandia, Niemcy, Korea, Japonia oraz
nych oraz dotyczące konkretnych zastosowań realizowanych Australia.
głównie w instytutach naukowych USA, takich jak produkcja
elektryczności przy wykorzystywaniu:
LITERATURA
 ścieków komunalnych, przemysłowych, rolniczych, świńskich
i powstałych produkując żywność,
[1] L.T. Angenent, Karim K., Al-Dahhan M., Wrenn B.A., Dom�guez-
 glukozy, węglowodanów, protein, kwasu octowego oraz buta- -Espinosa R., Production of bioenergy and biochemicals from
industrial and agricultural wastewater, Trends Biotechnol. 2004,
nowego, cystein,
22 (9), 477 485
 produkcji wodoru.
[2] W. Verstraete, Morgan-Sagastume F., Aiyuk S., Rabaey K., Wa-
weru M., Lissens G., Anaerobic digestion as a core technology in
sustainable management of organic matter, Water Sci. Technol.
Rekomendacje
2005, 52, 59 66
[3] Logan, B. E., Hamelers B., Rozendal R., Schrorder U., Keller J.,
Prace eksperymentalne, obejmujące konkretne zastosowa- Freguia S., Aelterman P., Verstraete W., and K. Rabaey. 2006.
Microbial fuel cells: Methodology and technology. Environmental
nia technologii mikrobiologicznych ogniw paliwowych, prowa-
Science & Technology 40:5181-5192
dzono w latach 2004 2006 roku w skali laboratoryjnej w wyżej
[4] Rabaey K., Verstraete W., Microbial fuel cells: novel biotech-
podanych instytucjach naukowych, głównie w USA. nology for energy generation, Trends Biotechnol. 2005, 23,
291 298
Na podstawie uzyskiwanych wyników wzrasta przekonanie,
[5] Rabaey K., Aelterman P., Clauwaert P., L. De Schamphelaire,
że rozważana technologia, przetwarzająca ścieki organiczne bez-
Boon N., and Verstraete W. 2006. Microbial fuel cells in relation
pośrednio do elektryczności, będzie użyteczna. Musi być jednak to conventional anaerobic digestion technolog Engineering in
Life Sciences 6:285-292
realizowana w odpowiedniej skali, spełniając określone uwarun-
[6] Gorby Y. A., Yanina S., McLean J. S., Rosso K. M., Moyles D.,
kowania ekonomiczne. Wyzwaniem staje się więc poszukiwanie
Dohnalkova A., Beveridge T. J., Chang I. S., Kim B. H., Kim K.
sposobów pozwalających budować większe systemy dla różnych S., Culley D. E., Reed S. B., Romine M. F., Saffarini D. A.,Hill E.
A., Shi L., Elias D. A., Kennedy D. W., Pinchuk G., Watanabe K.,
rodzajów ścieków, ekonomicznie opłacalnych.
Ishii S., Logan B., Nealson K. H., and Fredrickson J.K. (2006)
Podstawowymi zagadnieniami, opanowanie których mogło
Electrically conductive bacterial nanowires produced by Shewa-
by przyczyniać się do spełniania wyżej wymienionego wyzwania nella oneidensis strain MR-1 and other microorganisms. PNAS
103, 11358-11363
są przede wszystkim:
[7] Schr�der U., Nie�en J., Scholz F., 2003. A generation of microbial
 wzrost gęstości mocy, Coulombowskiej sprawności, szybkości
fuel cells with current outputs boosted by more than one order of
zachodzenia procesów konwersji, magnitude. Angewandte Chemie 115: 2986-2989, Angewandte
Chem. int.edn 42: 2880-2883
 wybór rodzaju konfiguracji reaktora,
[8] Rozendal R.A., Hamelers H.V.M., Euverink G.J.W., Metz S.J. and
 lepsze rozpoznanie mikrobiologii,
Buisman C.J.N., 2006. Principle and perspectives of hydrogen
 dalszy rozwój technologii o większej skali. production through biocatalyzed electrolysis Int. J. Hydrogen
Energy, 31:1632-1640
[9] Ciechanowicz W., Globalny system energii, Paliwa i Energia XXI
Uwagi końcowe
Wieku, Oficyna Wydawnicza WIT, Warszawa 2006
[10] Rabaey K., Boon N., Siciliano S.D., Verhaege M., Verstraete W.,
Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate elec-
Produktem ubocznym funkcjonowania cywilizacji są odpady
tron transfer, Appl. Environ. Microbiol. 2004, 70, 5373 5382
stałe i ciekłe. Odpady ciekłe przedostają się do wód. Woda, tak
[11] Rabaey K., and Verstraete W. 2005. Microbial fuel cells: susta-
jak energia, czyste powietrze i stała substancja materialna, wnoszą inable core technology. Trends in Biotechnology 23: 291-298
zasadniczy wkład w utrzymanie produktywności ekonomicznej,
dobrobytu społecznego, stylu życia i zachowania środowiska
naturalnego.
strona 224 www.energetyka.eu marzec 2008