Pile de combustie biochimice [602712]

1
Facultatea de Antreprenoriat, Ingineria și Managementul
Afacerilor
Universitatea Politehnica din București

Pile de combustie biochimice
(microorganisme)

Student: [anonimizat]

2
CUPRINS

1.PILE ELECTROCHIMICE ………………………….. ………………………….. …. 2
2.PILA DE COMBUSTIE ………………………….. ………………………….. ……… 4
3.PILE DE COMBUSTIE BIOCHIMICE ………………………….. ……………. 5
Reactia de oxidare a acidului lactic care joaca rolul de anod ……………. 8
Schema unei pile biochimice ………………………….. ………………………….. 11
Celule care reaționează electrochimic la anozi ………………………….. …. 13
Costuri ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 14
Aplicații ale biopilelor ………………………….. ………………………….. ………. 15
Aplicații viitoare ale biopilelor ………………………….. ……………………….. 15
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………… 16

3
1.PILE ELECTROCHIMICE
Pilele electrochimice (denumite și el emente galvanice sau celule galvanice)
sunt sisteme autoconduse, producătoare de energie electrică, formate prin cuplarea
a doi electrozi diferiți. Electrodul cu potențial mai electropozitiv va fi catodul pilei
(sediul reacției de reducere), iar electrodul cu potențial mai electronegativ va fi
anodul pilei (sediul reacției deoxidare).

Noțiuni generale

Lanțul electrochimic al unei pile formate din doi electrozi diferiți, uniți
printr -un singur electrolit se scrie: M1 | electrolit | M2. Acesta este cazul c el mai
simplu de pilă galvanică.
Caracteristica termodinamică a pilelor electrochimice o reprezintă tensiunea
electromotoare (tensiunea de echilibru), E , a pilei, definită de relația:

𝐸=−𝛥𝐺
𝑧𝐹

în care: ΔG – variația energiei libere de reacție la t ransformarea unui mol de
reactanți;
z – numărul de electroni schimbați in reacția totală din pilă (reacție de celulă);
F – constanta luiFaraday.
Semnul minus din relația semnifică faptul că reacția din pilă (producătoare de
energie electrică) este o reac ție spontană ( ΔG < 0).

Tensiunea electromotoare, E, se definește ca fiind diferența dintre potențialele de
echilibru ale electrozilor:

4
𝐸=𝜀𝑒(+)−𝜀𝑒(−)
unde: 𝜀𝑒(+) – potențialul de echilibru al catodului pilei (electrodul pozitiv);
𝜀𝑒(−) – potențialul de echilibru al anodului pilei (electrodul negativ).1
2.PILA DE COMBUSTIE

Pila de combustie este un sistem electrochimic care convertește energia
chimică în energie electrică.
Combustibilul (sursa de energie) este situat la anod , iar la catod se află
oxidantul. Spre deosebire de baterie care este un sistem închis, pila c onsumă
combustibilul de la anod prin ene rgie electrochimică generând curent electric
continuu de joasă tensiune.
Avantajele utilizării sistemelor energetice pe bază de pile de combustie sunt:
 produc curent electric continuu la tensiuni scăzute și intensități medii;
 nu produc poluarea mediului a mbiant;
 funcționează fără vibrații sau zgomote, neavînd elemente în mișcare etc.
Pentru a asigura desfășurarea acestui proces, este indispensabilă realizarea unui
element conținând un anod, un catod și un electrolit care poate fi alimentat direct
cu un combustibil, și cu aer. Oxigenul necesar arderii combustibilului este ionizat
la catod. Ionii migrează apoi în electrolit pentru a ajunge la anod unde se produce
oxidarea combustibilului .

1 Curs Ioana Maior Curs " Electrochimie si coroziune" 2013 -2014

5
Procesele cinetice ireversibile asociate unei pile de combustie constau într -o
serie de reacții de oxido -reducere. Un combustibil A (hidrogen) este transportat la
anodul poros unde este absorbit pe suprafața acestuia, apoi disociat în ioni și
electroni într-un proces de oxidare. După aceea, are loc migrarea electronilor de la
anod și eliberarea gazulul ionic la suprafața anodului. În electrolit se asigură
transportul ionilor combustibilului A de la anod la catod. La catod, se întâlnesc
ionii (veniți pri n electrolit), electronii (veniți prin circuitul electric exterior) și
oxidantul B. Are loc reacția de reducere, rezultând un produs de reacție care
trebuie eliminat. Pila de combustie se compune deci, din trei elemente: electrolit,
electrozi și reactanți.
În timpul funcționării, electrozii nu suferă nicio modificare structurală, ei
servind doar ca suport pentru reacție. La anod are loc oxidarea catalitică a
hidrogenului atomic, iar la catod reducerea catalitică a oxigenului atomic.
Fenomenul de oxidare și reducere catalitică are loc în regim trifazic (gaz —lichid —
solid) la suprafața catalizatorului conform reacției globale:2
H2 + 1/2 O 2 → H 2O
3.PILE DE COMBUSTIE BIOCHIMICE

Procesele biochimice pot genera energie prin degradarea cu randament
ridicat a mater iei organice, la temperaturi apropiate de cele ale mediului, în soluții
neutre sau aproape neutre.
Procesele biologice sunt controlate de enzime, catalizatori organici, mult mai
eficienți decât catalizatorii anorganici. Enzimele prezintă o pronunțată spec ificitate

2 S. Muscalu, V. Platon, Pile de combustie , Editura Tehnică, București 1989

6
catalitică, din care cauză rareori sunt capabile să catalizeze mai mult de un singur
tip de reacție; uneori activitatea catalitică se rezumă la o singură substanță.

În abordarea practică a pilelor de combustie biochimice, care se desfășoară
prin intermediul unor sisteme de enzime sau co -enzime , trebuie subliniată
complexitatea proceselor biologice. In principiu, acești agenți pot fi introduși în
pila de combustie sub formă de compuși puri, preparate brute libere de celula vie
sau microorganisme vii bacterii Primele două căi diferă numai prin aceea că oferă
posibilitatea eliminării sau a reducerii reacțiilor enzimatice indezirabile și permite
realizarea unor concentrații mai mari de enzime determinate. Dar enzimele pure
sunt scumpe și greu de prep arat, pe când extractele brute sunt ieftine. Ambele
sisteme prezintă dezavantajul că activitatea enzimatică nu poate fi menținută
permanent.
Cea de a treia cale evită aceste dificultăți; în organismele vii, enzimele se
găsesc în starea lor naturală și func ționează cu eficiență maximă. Evident, ele
necesită alimentarea cu hrană, dar aceasta este neînsemnată în comparație cu
cantitatea de combustibil (sau oxidant) produsă.
Pilele de combustie biochimice pot fi clasificate în biopile directe și
indirecte .
În biopilele indirecte un anumit compus, folosit la alimentarea unor bacterii,
este convertit într -un produs ce poate servi apoi drept combustibil în pila de
combustie. Ca exemple se pot cita: producerea hidrogenului din hidrați de carbon,
cu ajutorul bacteri ei Clostridium cellobioparus ; hidrogen din acid formic cu
Escherichia coli; amoniac din uree cu Bacillus Pasteurii ; etanol din hidrați de
carbon cu Saccharomyces (drojdie).

7
Pe lângă producerea de combustibil, procesele biochimice pot fi adaptate și
pentr u producerea de oxidant. Ca exemplu poate servi binecunoscutul proces de
fotosinteză din plante, în urma căruia oxigenul este produs din bioxid de carbon.
Acest proces nu are perspective de aplicare decât în situațiile în care oxigenul nu
este disponibil, cum ar fi spațiul cosmic sau în submarine. Deoarece cea mai mare
parte a combustibilului primar este absorbită de microorganisme, biopilele
indirecte nu par să prezinte o formă eficientă de conversie a energiei.

Biopilele directe au la bază același proce s ca în pilele indirecte, cu
deosebirea că microorganismul poate funcționa în două moduri. El poate servi ca
generator continuu de enzime necesare procesului bioelectrochimic, în care
organismul însuși nu beneficiază de pe urma procesului și astfel, dispar e treptat.

De aceea o parte din microorganisme se alimentează pentru cultură,
consumând o parte din combustibil. Microorganismele se pot cultiva direct pe
electrod sau în imediata lui vecinătate, iar produșii de metabolism (hidrogen,
etanol, amoniac, etc .) sunt utilizați direct la producerea energiei electrice. Biopilele
directe prezintă o mare dificultate: condițiile favorabile pentru dezvoltarea
microorganismelor vii (soluții neutre sau aproape neutre și temperatura apropiată
sau egală cu cea mediului a mbiant) sunt net defavorabile pentru producerea
eficientă a energiei electrice în pilele de combustie.

8
Reactia de oxidare a acidului lactic care joaca rolul de anod

CH3−CH−(OH)−COOH +SO42−Bacterii S2−+4H2 O

𝑆2−+4𝐻2 𝑂+ 𝑝𝑖𝑟𝑢𝑣𝑎𝑡 𝑆𝑂42−8𝐻+
+8𝑒− la anod
2𝑆++3𝐻2𝑂 𝑆2𝑂32−+6𝐻+
+8𝑒− la anod

Exeplu biocatozi:
𝐶𝑂2+𝐻2𝑂ℎ𝑣 𝑂2

Un alt exemplu (Reprezentarea gr afică a unei pile de combustie biochimică)
(Logan, B.E. 2008 Microbial fuel cells)

9
Pilele de combustie oferă soluț ii tuturor aces tor probleme, prin ducerea
soluțiilor oferite de natură la generare de energie, stocand -le dupa cerintele noastre.
Aceste a iau substraturi prime din sursele regenerabile și le transormă î n subproduse
favorabil e, cu generarea energiei electrice. Din moment ce folosesc sur se
concentrate de enegie chimică, acestea pot fi minuscule și uș oare, iar carburantul
poate fi sustras chiar d e la un organism viu (de ex. Glucoza din fluxul sanguin).
Pilele de combustie biochimice utilizează biocatalizatori pen tru conversia
energiei chimice în energie electrică . Deoarece cele mai multe substraturi organice
sunt supuse arderii cu evoluția energi ei, oxidarea biocatalizată a substanț elor
organice cu oxigen sau alț i oxidanti la interfete de doi electrozi oferă un mijloc
pentru conversia chimico – electrică . Materii prime organice abundente , precum
metanolul , acizii organici , sau glucoza pot fi fo losite ca substraturi pentru
procesul de oxidare , iar oxigenul molecular sau 𝐻2𝑂2 poate acționa î n timp ce
substratul este redus. Puterea extractabila a pilei (Pcell) este produsul dintre
tensiunea celulei (Vcell) si curentul celulei (Icell)(ecuat ia (1)).
Desi tensiunea ideala este afe ctata de diferența dintre compușii oxidanți,
compuș ii de combustibil (E ox – E fuel), și de perderi ireversibile î n tensiune (η), ca
urmare a limită rilor cinetice ale preoceselor de tr ansfer de electroni, la interfe țele
electrozilor, rezistentele chmice și gradienților de concentrație, ce conduc la
scăderea valorilor (ecuatia (2)).

𝑷𝒄𝒆𝒍𝒍=𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍∗𝑰𝒄𝒆𝒍𝒍 (1)
𝑽𝒄𝒆𝒍𝒍=𝑬𝒐𝒙𝒐/−𝑬𝒇𝒖𝒆𝒍𝒐/−𝛈 (2)

10
În mod similar, cure ntul celular este controlat de mă rimea electrodului,
permeabilitate a și ratele ionice de transfer prin membrana pilei separă soluția
anodică de cea catodică (î n mod specific rata de transfer al electronilor pe suprafele
de electrod).
Acesti parametrii dif eriti influentează î n mod colectiv puterea pilei de
comb ustie, iar pentru o eficienta cât mai bună , valorile V cell si I cell ar trebui
optimizate. Pilele pot utiliza biocatalizatori, enzime sau chiar micro -organisme .
Fie biocatalizatoarele ar putea genera u n substrat carburant pentru pilă, prin
transformă ri biocatalitice sau procese metabolice, fie acestea ar putea participa î n
lanțul de transfer al electronil or, dintre substraturile pilei ș i suprafetele de electrod.
Din nefericire, cele mai multe enz ime red ox nu iau parte la o rată bună a
transferului direct de electroni, ș i prin urmare, se folosesc o variatate de electroni
mediatori (relee de el ectroni), pentru stabilirea legăturii dintre electrod ș i eletrolit.
Recent, s -au dezvoltat noi metode pentru fun cționalizarea suprafeț elor de
electrozi prin acoperirea î n monostraturi sau multistraturi, cu enz ime redox,
electrocatalizatori ș i bio-electrocatalizat ori care sa stimuleze transformă ri
electrochimice la contactul electrozilor. Realizarea electrozilor acop eriti cu
monostrat bioactiv, poate avantaja aplicabilitatea pilei de combustie, d eoarece
biocatalizatorul ș i suportul de electrod sunt integrate. Acest articol centralizeaza
progresele recente in creeare pile lor de combustie pe baza convențională
microbian ă și descrie configuraț ii noi ale pilei, bazate pe structuri i ntegrate ale
interf eței biocatalitice, cu catozii ș i anozii acesteia.
Utilizarea microorganismelor întregi ca microreactoare în celulele de
combustibil elimină necesitatea izolării enzimelor in dividuale și permite

11
biomaterialelor active să funcționeaze în condiții care sunt apropiate de mediul lor
natural cu o eficiență ridicată.
Microorganismele întregi pot fi dificil de manevrat, acestea necesită
condiții speciale pentru a rămâne în viață.
Microorganismele au capacitatea de a produce electrochimic substanțele
active care pot fi intermediare metabolice sau produse finale ale respirației
anaerobe. Pentru scopul generării de energie, aceste substanțe de combustibil pot
să fie produse într -un singur loc și transportate într -o celulă biochimică pentru a fi
utilizat drept combustibil. 3
Schema unei pile bioch imice

3 Handbook of Fu el Cells – Fundamentals, Technology and Applications, Edited by Wolf Vielstich, Hubert A.
Gasteiger, Arnold Lamm. Volume 1: Fundamentals and Survey of Systems.  2003 John Wiley & Sons, Ltd

12
Această schemă de permite ca partea electrochimică să funcționeze în
condiții care nu suntcompatibile cu partea biologică a dispozit ivului.
Cele două părți pot fi chiar și separate în timp, si pot să funcționeze
complet individual.
Cea mai utilizat combustibil pe scară largă în acest sistem este hidrogen gazos,
care să permită o dezvoltate bună .
Conform unei alte abordări, procesul de fermentarea microbiologică are
loc direct în compartimentul anodic a unei celule de combustibil. În acest caz
anodul este alimentat cu fermentația produsă. (Figura 1b).
În acest caz condițiile de funcționare în compartimentul anodic sunt controlate de
sistemul biologic, astfel încât acestea sunt în mod semnificativ diferite de cele din
celulele de combustibil convențional.
În acest punct avem o celulă de biocombustibil real ă și nu o combinație
simplă dintr -un bioreactor cu o celulă de combustibil co nvențional. această
configurație este adesea bazată pe producția biologică hidrogen gazos, dar oxidarea
electrochimică a H 2 este efectuată în prezența componentelor biologice în condiții
blânde. Alte produse metabolice (de exemplu, formiat, H2S) au fost fo losite drept
combustibili în acest tip de sistem.

O a treia abordare implică aplicarea artificială de transfer de electroni, care
pot transfera electroni între sistemul biocatalitic microbian și electrod.

Molecule mediatoare iau electroni din lanțul de transport biologic de
electroni al microorganisme lor și l e transport ă la anodul celulei biochimice. În
acest caz, procesul biocatalitic realizat în microorganisme devin e diferit față de cel
natural de oarece fluxul de electroni care circulă către anod în l ocul unu i acceptor
de electroni natural .

13
În majoritatea cazurilor, sistemul microbiologic funcționează în condiții
anaerobe când O 2 este eliminat din sistem.
Diferite bacterii și alge precum EscherichiaColi , Enterobacter aerogenes ,
Clostridium butyricu m , Clostridium acetobutylicum și Clostridium perfringens s –
au dovedit a fi activw în producerea hidrogenului în condiții anaerobe. În tabelul de
mai jos sunt prezentate mai multe exemple de celule care reactionează elecrocimic
la anozi.4

Celule care reați onează electrochimic la anozi

4 http://www.wiley.com/legacy/wileychi/hfc/docs/f104021 -volume -1-chapter21.pdf (Biochemical fuel cells,
Eugenii Katz, Andrew N. Shipway and Itamar Willner)

14
Costuri
Pe baza conținutului calorifică de glucoză , o celulă de combustibil
microbian poate asigura teoretic 3 kWh ( la 100 % eficienta in timpul fermentarii )
pentru fiecare kg de materie organică ( greutate uscată ), î ntr- o singură etapă
fermentativă ( în loc de 1 kWh de energie electrică și 2 kWh de energie termică pe
kg, în producția de hidrogen și biogaz prin utilizarea mai multor etape de proces ) .

Acest lucru înseamnă că, în timpul fermentației energia este e liberată
foarte greu sub formă de căldură externă , iar toată energia biochimică din deșeuri
pot fi transformate potențial în electricitate .

Lucrările recente arată că, în funcție de condițiile experimentale date poate
fi atins în practică, o eficienț ă generală de până la 80 %.

Din cauza costurilor ridicate implicate in producerea enzimei , pilele de
combustie sunt potrivite numai pentru apli cații la scară mică . Ca rezultat ,
dimensiuni le și ieșirile de putere corespunzăt oare sunt semnificativ mai mi ci. Cele
mai des folosite enzime sunt glucoza – oxidaza și dehidrogenaze . Cea mai mare
biopila de până acum a avut un anod cu volumul intern de 0.388 L.5

Cu toate că a trecut mai mult decât un deceniu decând au fost propuse
biopilele nu există încă nici o cerere comercială a tehnologiei.
De ce a fost limitată doar la scară de laborator și nu și la o scară mai largă ? Unul
dintre motivele principale este costul de electrozi . Sa estimat că materialele de
electrod ar trebuie să coste mai puțin de 100 € pe m etru pătrat ca să fie rentabile.

5 Katz și colab . 1999 , Kim și colab . 2003 , Palmore și colab . 1998 , Pizzariello și colab . 2002 )

15
Din punct de vedere economic acest lucru pare acum să fie posibil,prin faptul că se
pot gasi și anozi mai ieftini , separatoare și catozi. 6
Aplicații ale biopilelor
• Producerea de energie electrică
• Producția biohidroge n
• Epurare a apelor uzate
• Bioremediere
• Biosenzori pentru analiza poluării

Aplicații viitoare ale biopilelor

Biopilele sunt o tehnologie promițătoare pentru generarea bioelectricității
și tratarea apelor reziduale . Cercetările recente de dezvolt are și analiză și în
literatura de specialitate că se pot obține densități de putere mai mari din proiectele
îmbunătățite a biopilelor prin utilizarea unor materiale cu un cost mai avantajos .
Unele companii ( Tech MFC , Opencel ) au început să utilizeze această tehnologie
pentru combustibil și alte aplicații potențiale, inclusiv puterea de la distanță ,
bioremediere și biosenzori dovedind că această tehnologie ar putea avea un impact
mai mare în dezvoltarea de energie curată în termen de câțiva ani .
Pentru că rezervele cunoscute de petrol și gaze din lume nu sunt infinite ,
este necesar să se evalueze alternative și a surselor regenerabile de energie , cum ar
fi energia eoliană , solară , și hidroelectrice . Celulele de combustibil microbiale
(MFC ) ofer ă o metoda de adăugare a apelor uzate pe lista surselor de energie
regenerabile .

6 Assessment of Microbial Fuel Cell Configurations and Pow er Densities Bruce E. Logan,Maxwell J.
Wallack, Kyoung -Yeol Kim, Weihua He, Yujie Feng, and Pascal E. Saikaly

16
BIBLIOGRAFIE

Curs Ioana Maior Curs "Electrochimie si coroziune" 2013 -2014
S. Muscalu, V. Platon, Pile de combustie, Editura Tehnică, București 1989
Handbook of Fuel Cells – Fundamentals, Technology and Applications, Edited by
Wolf Vielstich, Hubert A. Gasteiger, Arnold Lamm. Volume 1: Fundamentals and
Survey of Systems. 2003 John Wiley & Sons, Ltd
Katz și colab . 1999 , Kim și colab . 2003 , Palmore și colab . 1998 , Pizzari ello
colab . 2002 )
Assessment of Microbial Fuel Cell Configurations and Power Densities Bruce E.
Logan,Maxwell J. Wallack, Kyoung -Yeol Kim, Weihua He, Yujie Feng, and
Pascal E. Saikaly

Resurse web
http://www.wiley.com/legacy/wileychi/hfc/docs/f104021 -volume-1-chapter21.pdf
(Biochemical fuel cells, Eugenii Katz, Andrew N. Shipway and Itamar Willner)