Mikroobsed kütuseelemendid

Mikroobse kütuseelemendi skeemMikroobne kütuseelement (MKE) on bioreaktor, mis muundab orgaaniliste ühendite keemiliste sidemete energia elektrienergiaks. See toimub anaeroobsetes tingimustes läbi mikroorganismide katalüütiliste reaktsioonide. Mikroorganismide poolt lagundavatest orgaanilistest ainetest otsene elektri tootmine tõestati esmakordselt juba 1910. aastal ent alles viimastel aastatel on see populaarseks uurimissuunaks muutunud. Seda peamiselt seetõttu, et võimaldab biomassist saada energiat ilma süsiniku emissioonideta atmosfääri. MKEsid loodetakse tuleivkus kasutada näiteks reoveepuhastites (on näidatud et kuni 80% keemilisest hapniku tarbest on võimalik eemaldada), et lagundada orgaanilist materjali ja toota osa voolu puhastile tagasi. Lisaks on uuritud nende kasutamist ka biosensoritena ja biovesiniku tootmisel.

Tüüpiline MKE on kahe kambriga: anoodi ja katoodi kambriga, mis on eraldatud üksteisest prootoneid läbilaskva membraaniga. On loodud ka ühe kambriga MKEsid. Nende puhul puudub katoodi kambri vajadus, sest katood on õhu käes. Peamised MKE komponendid on: anood, katood, anoodi kamber, katoodi kamber, prootonite vahetus süsteem ja elektroodide katalüsaator. MKEd võivad kasutada ka elektroni vahendajat, et suurendada toodetava energia hulka. Levinud on neutraal punase, metüleen sinise, tioniini ja meldola sinise põhjal loodud MKEd. Need on aga toksilised ja piiravad MKEde kasutamisvõimalusi. Lisaks traditsionaalsetele MKEdele on võimalik veel luua ka sette MKEsid. Üks elektroodidest pannakse mere settesse, mis on orgaanika ja sulfiidide rikas ning teine üleval olevasse vette.

Mikroobne kütuseelement MKEde toimemehhanism põhineb mikroorganismide elektrontransport ahelal. Anoodi kambris olevad mikroorganismid oksüdeerivad substraate ning toodavad elektrone ja prootoneid. Elektronid liiguvad anoodile ning sealt edasi katoodile läbi välise vooluringi. Prootonid liiguvad läbi membraani katoodi kambrisse ning ühinevad seal hapnikuga moodustades vee. Anoodi kamber peab olema anaeroobne, et tagada elektronide lõppaktseptoriks anood.

Elektronide ülekande võime anoodile on olemas paljudel mikroorganismidel. Mere setted, pinnas, reovesi, mageveekogude setted ja aktiivmuda on rikkad nende mikroorganismide sisalduse poolest ning seetõttu ka head substraadid MKEdele.

Viimastel aastatel on uurima hakatud ka vesiniku tootmist modifitseeirud MKEde abil. Selleks tekitatakse anoodi ja katoodi vahele nõrk pinge (>0,2 V). Katoodil hakkab toimuma prootonite reduktsioon ja tekkibki vesinik. Kuna toodetud vesiniku kogus on relatiivselt suur ja energia tarbimine on väike võib tulevikus MKEde abil vesiniku tootmine olla väga mõistlik kuna nad on võimelised kuni 8-9 mooli vesiniku tootma ühe mooli glükoosi kohta (võrreldes 4 mooliga, mis saavutatakse traditsionaalsel fermentatsioonil).

MKEde jõudlus on senini jäänud veel väga nõrgaks. Suurem osa tööst toimub labori mõõtkavas ja tekitatud energia hulgad on väiksed. Arvatakse aga, et mõjutades anoodi katalüütilist aktiivsust, kütuse diffusiooni ja elektronide ja prootonite diffusiooni ja tarbimist saab suurendada MKEde jõudlust. Tulevikus võib olla võimalik ehitada näiteks toidu töötlemise tehastele MKEd. Kui arvestada, et tehas toodab 7500 kg orgaanilist materjali päevas on potensiaalseks võimsuseks 950kW. 30% efektiivsuse juures aga 330 kW. See süsteem vajaks kuskil 350 m3 suurust reaktorit, mis maksaks kuskil 2,6 miljonit eurot ning hakkaks 10 aasta pärast kasumit tootma.