Kunskaperna om mikrobiella bränsleceller ökar och en kommersialisering närmar sig sannolikt. I denna reviewartikel diskuteras olika drift- och omgivningsparametrars inflytande på elektricitetsgenerering och COD-reduktion.
Av: Jörgen Hanaeus
Möjligheten att utnyttja energiinnehållet i organiskt material inspirerar till fortsatt utveckling. Ett intressant alternativ är att använda mikrobiella bränsleceller som har den stora förtjänsten att direkt kunna utvinna elektricitet ur organiskt material. För att kunna nå en kommersiell tillämpning med t ex avloppsbranschens produkter behöver detaljkunskapen öka och elektrodmaterial, reaktordesign förbättras. I föreliggande litteratursammanställning från Iran diskuteras parametrarna pH, flöde och hydraulisk uppehållstid, temperatur, extern resistans och initial koncentration av det organiska materialet.
Artikeln
Begränsade tillgångar och klimatstörningar har gjort att bioenergi lyfts fram som ett alternativ till fossila bränslen. I avloppsbranschen har rötkammare utgjort den dominerande tekniken för att utnyttja avloppsvattnets organiska material och bilda mer lättanvänd energi (gas, elektricitet). Alternativet mikrobiella bränsleceller (MFC) innebär att utnyttja mikroorganismer som katalysatorer för att oxidera organiskt material och därvid producera elektrisk ström.
Mikrobiella bränsleceller har provats i försöksskala med olika substrat, såsom acetat, glykos, butyrat och mer komplexa substanser som avlopp från bryggerier, stärkelseproduktion, lakvatten och kommunala avloppsvatten.
Avloppsvatten är ett blandat och variabelt substrat varför fullskaletillämpningar inte sjösatts ännu.
MFC
Elektricitetsgenereringen sker i en cell med anod och katod, kopplade med en extern ledning (resistans). Vid anoden oxideras det organiska materialet med hjälp av elektrokemiskt aktiva mikroorganismer och gas bildas. Protoner och elektroner emitteras och leds till katoden; elektronerna via den externa ledningen. Katodreaktionen är elektroner till syre som reduceras, tar upp elektronerna och protoner och bildar vatten. Två typer av kammarsystem är aktuella idag: Dualkammare och singelkammare. Anodens kammare i dualsystemet är anaerob medan katodkammaren är aerob och de skiljs åt av ett membran som medger protonvandring från anod till katod. Biofilm bildas på anoden.
I singelkammaren är anodreaktionen snarlik dualkammarens, men katoden är placerad så att den möter luft (syre) på utsidan kammaren. Biofilm bildas på både anod och katod
Parametrar
Förutom reaktordesign och elektrodkvalitet beror framgången även på pH, organisk belastning och temperatur. Här undersöks pH, temperatur, ingångskoncentration, hydraulisk uppehållstid, flöde, resistans i den externa kretsen och driftsätt: kontinuerlig eller satsvis drift.
pH
Utgående från neutralt pH och med uppnådd strömtäthet från elektroden (mW/m2) som framgångsmått visade sig en pH-ökning vara gynnsam. För dual-kammaren har pH-intervallet 7-8 visats fungera väl, medan mer extrema pH-värden ger sämre utfall. Högsta värdet på strömtäthet som redovisats, kommer från en blandad bakteriekultur i en singelkammare med pH 10: 107 mW/m2.
Temperatur
Den anaeroba miljön vid anoden gynnas av hög temperatur likt den optimala för mesofila bakterier vid 35-40 ºC. Fallande temperatur ger sämre utfall, men MFC:n är inte så känslig som de flesta anaeroba systemen, utan kan prestera godkänt även ner mot +4 ºC och kan därför vara intressant i kallt klimat-miljö.
Driftsätt
Många försök har utförts satsvis, med nackdelen att substratkoncentrationen och därmed el-produktionen varierar mycket. Tät påfyllning förbättrar, men då närmar man sig den kontinuerliga driften, som anses vara bättre lämpad för el-produktion.
Flöde och uppehållstid
Uppehållstiden är omvänt proportionellt mot flödet. Vid för lång uppehållstid sjunker spänningen över kretsen; vid för kort tid är reduktionen av organiskt material mindre. Systemet är därtill dynamiskt. Försök har ändå gjorts att bestämma en lämplig tid och då har 15,5 h blivit ett förslag.
Yttre resistans
Med den yttre resistansen kan spänningen kontrolleras. Vid optimalt värde ökar strömtätheten och metangasproduktionen minskar. Polariseringskurvan kan användas som utgångspunkt för optimalt val. Dock ger en ökad resistans en kortare igångsättningstid för processen, t ex minskade vid en studie denna tid från 3 d till 0,6 d när resistansen ökades från 10 Ω till 1000 Ω.
Den mikrobiella diversiteten ändras också med ändrad resistans.
Initial COD-koncentration
En ökad initial COD-koncentration ger en ökning i el-produktionen. men ändrar inte COD-reduktionen. Omkring 25 % av COD-innehållet bedöms gå till el-produktion, medan återstoden tas om hand av den anaeroba processen. En ökning av COD-koncentrationen från 100 till 400 mg/L har visats öka strömstyrkan från 2,2 till 6,8 mA. Extremt låga COD-koncentrationer ger dålig el-produktion.
Slutsatser
MFC är en gryende teknologi och flera effekter är ännu inte kartlagda; fullskaletillämpningar är inte utförda.
Ett svagt basiskt pH, ca 8, förefaller optimalt. Temperaturen har måttligt inflytande, men högre temperatur förbättrar. Ökad COD-nivå gynnar elproduktionen men påverkar inte COD-reduktionen påtagligt.
Förtjänster med tekniken är den direkta elproduktionen, medan höga värden på el-produktionen är svåra att nå, jämfört med rötkammartillverkning.
Artikeln är en review och som sådan rik på referenser, ca 130 st.
Källa: Sima Malekmohammadi and Seyed Ahmad Mirbagheri (2021). A review of the operating parameters on the microbial fuel cell for wastewater treatment and electricity generation. Water Science & Technology 84.6, pp 1309-1322.
Författarna från:
Department of Environmental Engineering, Faculty of Civil Engineering, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.
Kontakt: simamalekmohammadi [a] yahoo.com
