Til hovedinnhold

Driver brenselcelle med bakterier

Driver brenselcelle med bakterier

Publisert 12. juni 2014
I Trondheim har forskere lykkes med å få bakterier til å drive en brenselcelle. "Drivstoffet" er avfallsvann – og resultatet av prosessen er rensede vanndråper og elektrisitet.
Main intro image
Når biolog Netzer (t.v.), med interesse for bioprosesser traff elektrokjemiker Colmenares, med interesse for vannrensing, oppsto ideen med det energiproduserende vannrenseanlegget basert på nyttige bakterier. I dag er demonstrasjonsoppsettet klart. Foto: Thor Nielsen/SINTEF.

– Dette er en miljøvennlig prosess for rensing av avfallsvann – for eksempel fra industrielle prosesser. I tillegg produserer den strøm i små mengder. I praksis nok til å kunne drive en liten vifte, sensor, eller lysdiode, sier SINTEF-forsker Luis Cesar Colmenares, som sammen med sin kollega Roman Netzer driver prosjektet.

I framtida har forskerne et håp om å oppskalere energiproduksjonen slik at denne energien også kan brukes til vannrenseprosessen – som ofte foregår i flere steg, gjerne med mekanisk og energikrevende rensing som utgangspunkt.

Naturens egen generator

Den biologiske brenselcellen drives av prosesser som naturen selv står for – ved hjelp av levende mikroorganismer.

– Rent forenklet kan vi si at denne typen brenselcelle fungerer fordi bakteriene spiser avfallet som finnes i vannet. Som følge av dette danner bakteriene elektroner og protoner. Spenningen som oppstår mellom disse partiklene skaper energi som vi kan utnytte, forklarer Luis Colmenares. Siden avfallet (organisk materiale) i avfallsvannet blir spist opp i prosessen, blir dette vannet samtidig renset.

 

Elektronene som dannes ved anoden, vandrer gjennom en ekstern kurs og danner strøm.  Protonene som dannes samtidig, vil vandre gjennom membranen. Når elektronene gjenforenes ved katoden etter sin vandring, reagerer de med oksygenet og blir til vann og hydrogenperoxid. Hydrogenperoxid (som også kan brukes til blant annet bleking av hår) brukes som en del av vannrenseprosessen. Brenselcellen krever ingen tilførsel av strøm. Illustrasjon: Roman Netzer/SINTEF.

Elektronene som dannes ved anoden, vandrer gjennom en ekstern kurs og danner strøm. Protonene som dannes samtidig, vil vandre gjennom membranen. Når elektronene gjenforenes ved katoden, reagerer de med oksygenet og blir til vann og hydrogenperoxid. Hydrogenperoxid (som også kan brukes til blant annet bleking av hår) brukes som en del av vannrenseprosessen. Brenselcellen krever ingen tilførsel av strøm. Illustrasjon: Roman Netzer/SINTEF.

Klikk for å åpne

Jakten på den optimale bakterie

– Utfordringen vår har vært å finne ut hvilke mekanismer og bakterier som er mest optimale i denne vannrensemetoden, forteller Roman Netzer. For det første måtte vi finne en bakterie som kunne spise avfallet i vannet – men som også hadde evnen til å overføre elektroner til en metall-elektrode.

Ideen til vannrensemetoden oppsto for flere år siden, da de to forskerne møttes og praten gikk løst om bruk av bakterier til energiproduksjon. Siden den gang har begge jobbet med å sette ideen ut i praksis – fra hvert sitt ståsted. Mens Roman Netzer er spesialist innenfor bakterier, er Colmenares elektrokjemiker med kunnskap og interesse innenfor vannrensing. I dag putrer et lite demonstrasjonsanlegg som effektivt utnytter bakterienes evne til å rense skittent vann og generere energi på laben. Avfallsvannet kommer fra Tine meierier og er rikt på organiske syrer, noe som er ideelt for denne prosessen. Men det er ingen forutsetning – andre typer avfallsvann kan også benyttes.

–Det er foreløpig ikke snakk om å produsere store energimengder. Men fordi vannrensing i seg selv er en prosess som i dag er svært energikrevende, er dette veldig interessant, sier Netzer. Vi er spesielt fornøyde med at vi klarer å produsere like mye energi ved hjelp av et rimelig anlegg, som andre klarer med kostbare.

Vannrensing er energisluk

På verdensbasis går mye energi med til vann- behandling og rensing. I USA brukes hele fem prosent av energien som produseres til dette formålet. I dag er det fremdeles stort sett fossile energikilder (olje, gass og kull) som benyttes til energiproduksjonen– men med dagens klimautfordringer er det sannsynlig at dette må endres.

Avfallsvann inneholder energi i form av biologisk nedbrytbart materiale som i dag blir søppel – men som kan resirkuleres og komme til nytte. Som et eksempel inneholder avfallsvann fra kommuner og næring i USA hele 17 GW energi. Dette tilsvarer omtrent den samme energimengden som brukes til å behandle vannet.

Bakterie-kombinasjon

At bakterier kan generere strøm har verden visst lenge (Potter 1911). Men mengden energi var så liten at ingen synes dette var interessant. Det som gjør dette mikrobiologiske systemet spesielt, er at det utnytter mer enn én type bakterie – og at det koster svært lite å bygge:

– Systemer det er naturlig å sammenlikne seg med er ofte langt mer komplekse. Men for det avfallsvannet vi bruker, fant vi en en løsning som gjør det mulig å utnytte to typer bakterier. Sammen øker disse bakteriene den biologiske energi-produksjonen fordi den ene bakteriens avfallsstoffer utnyttes som mat for den andre, mens begge produserer energi. Et viktig poeng er at dette skjer i et lukket system, slik at prosessen er anaerob, sier Netzer.

Fraværet av luft gjør at bakteriene blir tvunget til å overføre elektronene som produseres når de spiser, til en elektrode. Den ene bakteriearten (Shewanella oneidensis) kan leve både med og uten oksygen. Den bruker derfor opp restoksygen som finnes i systemet, mens den spiser melkesyre.

– Denne bakterien skiller ut en betydelig mengde organisk syre som vil bli gått tapt hvis den var “alene” i brenselcellen.

FAKTA:

Mikrobielle brenselceller (MFC) er en ny og lovende grønn teknologi. I en MFC bryter bakterier ned organisk avfall og produserer elektroner. Bakteriene bruker disse elektronene til å produsere energirike forbindelser (som Adensosin-trifosfat, ATP) som de trenger for å overleve. I en bakteriecelle skjer dette gjennom å overføre elektronene i komplekse prosesser til en akseptor, som da blir redusert. Mange bakterier bruker oksygen som elektronakseptor, som reduseres til vanlig vann. Men om det ikke finnes oksygen, kan enkelte bakteriearter transportere elektroner ut av cellene og overføre dem til en annen akseptor, for eksempel en elektrode. Om man da kobler en annen elektrode på, produseres elektrisitet, som i dette tilfellet.

Her kommer den andre bakterie-arten inn i bildet: Geobacter sulfurreducens (som bare kan leve i et miljø uten oksygen) spiser den organiske syren som den første bakterien skiller ut. Dermed kan de sammen bryte ned melkesyre (og andre organiske komponenter) i avfallsvannet og samtidig produsere mer elektrisitet enn de kunne ha gjort alene.

– Dette gjør at vi i praksis har nådd den effektiviteten som i dag er teoretisk mulig for et slikt system, forklarer elektrokjemiker Luis Colmenares.

Kan også produsere hydrogen

Et bio-elektrokjemisk system kan ikke bare brukes for å produsere elektrisk energi (mikrobiell brenselcelle). Den kan på omtrent samme måte brukes til hydrogenproduksjon. Da kalles den for en mikrobiell elektrolysecelle.

– Den eneste forskjellen er at hele systemet må være fritt for oksygen – noe som gjør at det dannes hydrogen i stedet for vann, forklarer forskeren. I tillegg må man legge på en liten spenning for å få elektronene til å “vandre” dit de skal.

Teoretisk sett er hydrogenproduksjonen i et slikt system betydelig mer effektiv enn vanlig hydrogenproduksjon via hydrolyse av vann som trenger mye mer energi.

– Derfor er den mikrobielle elektrolysecelle-teknologien, som er enda nyere en mikrobiell brenselcelle-teknologien, veldig interessant og lovende for effektiv og miljøvennlig hydrogenproduksjon, sier Luis Colmenares.

Resultatene ble oppnådd i prosjektet “Greener than green” som er et internt forskningsprosjekt i SINTEF, og er så positive at de gir grunnlag for å videreutvikle teknologien. 

Denne saken er hentet fra Gemini.no - Forskningsnytt fra NTNU og SINTEF

Seniorforsker