مفاعل كيميائي حيوي كهربائي

الموسوعة الحرة

المفاعل الكهروكيميائي الحيوي هو نوع من المفاعلات الحيوية التي تُستخدم فيها العمليات الكهروكيميائية الحيوية لتحليل/إنتاج المواد العضوية باستخدام الكائنات الدقيقة. [ 1 ] يتكون هذا المفاعل الحيوي من حجرتين: المصعد ، حيث يحدث تفاعل الأكسدة ؛ والمهبط ، حيث يحدث تفاعل الاختزال . في هاتين الحجرتين، تنتقل الإلكترونات من وإلى الميكروبات لتوفير الطاقة اللازمة لاختزال البروتونات، وتحليل النفايات العضوية، أو غيرها من العمليات المطلوبة. [ 2 ] تُستخدم هذه المفاعلات في التخليق الكهربائي الميكروبي ، والمعالجة البيئية ، وتحويل الطاقة الكهروكيميائية . من أمثلة المفاعلات الكهروكيميائية الحيوية: خلايا التحليل الكهربائي الميكروبي ، وخلايا الوقود الميكروبي ، وخلايا الوقود الحيوي الأنزيمية ، وخلايا التحليل الكهربائي ، وخلايا التخليق الكهربائي الميكروبي ، والبطاريات الحيوية . [ 3 ] [ 4 ]

مبادئ

يُعدّ التيار الإلكتروني جزءًا لا يتجزأ من عملية الأيض الميكروبي . تنقل الكائنات الدقيقة الإلكترونات من مانح الإلكترونات (جزيء ذو جهد منخفض) إلى مستقبل الإلكترونات (جزيء ذو جهد مرتفع). إذا كان مستقبل الإلكترونات أيونًا أو جزيئًا خارجيًا، تُسمى هذه العملية بالتنفس. أما إذا كانت العملية داخلية، فيُسمى نقل الإلكترونات بالتخمر. تسعى الكائنات الدقيقة إلى تعظيم اكتسابها للطاقة عن طريق اختيار مستقبل الإلكترونات ذي أعلى جهد متاح. في الطبيعة، تُختزل المعادن التي تحتوي على أكاسيد الحديد أو المنغنيز بشكل رئيسي . غالبًا ما تكون مستقبلات الإلكترونات الذائبة نادرة في البيئة الميكروبية. كما يمكن للكائنات الدقيقة تعظيم طاقتها عن طريق اختيار مانح إلكترونات جيد يسهل استقلابه. تتم هذه العمليات عن طريق نقل الإلكترونات خارج الخلية (EET). [ 5 ] يرتبط التغير النظري في الطاقة الحرة (ΔG) للكائنات الدقيقة ارتباطًا مباشرًا بفرق الجهد بين مستقبل الإلكترونات ومانحه. مع ذلك، فإن أوجه القصور، مثل المقاومة الداخلية، تُقلل من هذا التغير في الطاقة الحرة. [ 6 ] تتمثل ميزة هذه الأجهزة في انتقائيتها العالية في العمليات عالية السرعة التي تحدها العوامل الحركية.

أكثر الأنواع التي دُرست شيوعًا هي شيوانيلا أونيدنسيس وجيوباكتر سلفوريدوسينز . [ 7 ] [ 8 ] ومع ذلك، فقد دُرست أنواع أخرى في السنوات الأخيرة. [ 9 ]

في 25 مارس 2013، تمكن علماء في جامعة إيست أنجليا من نقل الشحنة الكهربائية عن طريق السماح للبكتيريا بملامسة سطح معدني أو معدني. ويُظهر البحث أنه من الممكن "ربط" البكتيريا مباشرةً بالأقطاب الكهربائية. [ 10 ]

تاريخ

في عام ١٩١١، وصف م. بوتر كيف يمكن للتحولات الميكروبية أن تولد طاقة اختزالية، وبالتالي تيارًا كهربائيًا. وبعد عشرين عامًا، بحث كوهين (١٩٣١) قدرة البكتيريا على إنتاج تيار كهربائي، ولاحظ أن القيد الرئيسي هو القدرة المحدودة للكائنات الدقيقة على توليد التيار. ولم يقم بيرك وكانفيلد (١٩٦٤) ببناء أول خلية وقود ميكروبية (MFC) إلا في ستينيات القرن الماضي.

يتزايد حالياً البحث في المفاعلات الكهروكيميائية الحيوية. لهذه الأجهزة تطبيقات عملية في مجالات مثل معالجة المياه، [ 11 ] وإنتاج الطاقة وتخزينها، وإنتاج الموارد وإعادة تدويرها واستعادتها.

التطبيقات

معالجة المياه

تجد المفاعلات الكهروكيميائية الحيوية تطبيقاتٍ في معالجة مياه الصرف الصحي. تتسم عمليات الحمأة المنشطة الحالية باستهلاكٍ غير فعال للطاقة والتكلفة نظرًا لصيانة الحمأة، وحاجتها للتهوية، واستهلاكها للطاقة. باستخدام مفاعل كهروكيميائي حيوي يعتمد على مفهوم الترشيح بالتنقيط ، يمكن معالجة هذه أوجه القصور. [ 12 ] أثناء معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام هذا المفاعل، تحدث عمليات النترجة، وإزالة النتروجين، وإزالة المواد العضوية في آنٍ واحد في كلٍ من الظروف الهوائية واللاهوائية باستخدام أنواعٍ متعددة من الميكروبات الموجودة على مصعد النظام. على الرغم من أن معايير معالجة المفاعل تؤثر على التركيب العام لكل ميكروب، إلا أن جنسي جيوباكتر وديسلفوروموناس يُوجدان بكثرة في هذه التطبيقات. [ 12 ]

  • في لعبة فاينل فانتسي: ذا سبيريتس ويذين ، يستخدم الجنود حقائب ظهر قوية تعتمد على البكتيريا.
  • في لعبة Subnautica ، يمكن للاعب بناء مفاعل حيوي يخدم نفس الغرض الذي يخدمه المفاعل الكهروكيميائي الحيوي.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كريج، توماس؛ مادجاروف، جوانا (13 أبريل 2018). "مفاعلات للتكنولوجيا الحيوية الكهربائية الميكروبية" (ملف PDF) . مجلة الهندسة الكيميائية الحيوية/التكنولوجيا الحيوية المتقدمة. 167 : 231-272 . doi : 10.1007/10_2017_40 . ISBN 978-3-030-03298-2PMID 29651504 . S2CID 4797483 .​  
  2. ↑ كريج تي، سيدو إيه، شرودر يو، شرادر جيه، هولتمان دي (ديسمبر 2014). "مفاهيم المفاعلات للتخليق الكهروكيميائي الحيوي وتحويل الطاقة". اتجاهات في التكنولوجيا الحيوية . 32 (12): 645-55 . doi : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . PMID 25457389 . 
  3. ↑ راباي ك، أنجينينت ل، شرودر يو، كيلر ج، محرران. (2010). الأنظمة الكهروكيميائية الحيوية : من نقل الإلكترون خارج الخلية إلى التطبيقات البيوتكنولوجية . لندن: دار نشر IWA. ISBN  978-1-84339-233-0.
  4. ↑ كونتكه، ب.، سميتش، ك.م.، برونينغ، هـ.، زيمان، ج.، ساكس، م.، سلوتيلز، ت.هـ.، وآخرون . (مايو 2012). "استخلاص الأمونيوم وإنتاج الطاقة من البول بواسطة خلية وقود ميكروبية". أبحاث المياه . 46 (8): 2627-36 . Bibcode : 2012WatRe..46.2627K . doi : 10.1016/j.watres.2012.02.025 . PMID 22406284 .  
  5. ↑ راباي ك، أنجينينت ل، شرودر يو، كيلر ج، محرران. (2010). الأنظمة الكهروكيميائية الحيوية : من نقل الإلكترون خارج الخلية إلى التطبيقات البيوتكنولوجية . لندن: دار نشر IWA. ISBN  978-1-84339-233-0.
  6. ↑ هاينن جيه جيه؛ فليكينجر إم سي؛ درو إس دبليو (1999). تكنولوجيا العمليات الحيوية: التخمير، والتحفيز الحيوي، والفصل الحيوي . نيويورك: جون وايلي وأولاده، ص 267-291 . ISBN  978-0-471-13822-8.
  7. ↑ كريج تي، سيدو إيه، شرودر يو، شرادر جيه، هولتمان دي (ديسمبر 2014). "مفاهيم المفاعلات للتخليق الكهروكيميائي الحيوي وتحويل الطاقة". اتجاهات في التكنولوجيا الحيوية . 32 (12): 645-55 . doi : 10.1016/j.tibtech.2014.10.004 . PMID 25457389 . 
  8. ↑ ليانغ كيو، ياماشيتا تي، كويكي كيه، ماتسورا إن، هوندا آر، هارا-يامامورا إتش، وآخرون . (نوفمبر 2020). "مفاعل ترشيح بالتنقيط قائم على نظام كيميائي حيوي لمعالجة مياه الصرف الصحي". تكنولوجيا الموارد الحيوية . 315 123798. Bibcode : 2020BiTec.31523798L . doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501. S2CID 225536351 .   
  9. ↑ تشانغ إكس، ربيعي إتش، فرانك جيه، كاي سي، ستارك تي، فيرديس بي، وآخرون . (16 أكتوبر 2020). "تحسين أكسدة الميثان في مفاعل غشائي كهروكيميائي حيوي باستخدام وسيط إلكتروني قابل للذوبان" . التكنولوجيا الحيوية للوقود الحيوي . 13 (1) 173. Bibcode : 2020BB.....13..173Z . doi : 10.1186/s13068-020-01808-7 . PMC 7568384. PMID 33088343 .   
  10. ↑ هل يمكن توليد كهرباء نظيفة من البكتيريا؟ باحثون يحققون إنجازاً في سباق ابتكار "البطاريات الحيوية" (ساينس ديلي ، 25 مارس 2013)
  11. ↑ ليانغ كيو، ياماشيتا تي، كويكي كيه، ماتسورا إن، هوندا آر، هارا-يامامورا إتش، وآخرون . (نوفمبر 2020). "مفاعل ترشيح بالتنقيط قائم على نظام كيميائي حيوي لمعالجة مياه الصرف الصحي". تكنولوجيا الموارد الحيوية . 315 123798. Bibcode : 2020BiTec.31523798L . doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501. S2CID 225536351 .   
  12. 1 2 ليانغ كيو، ياماشيتا تي، كويكي كيه، ماتسورا إن، هوندا آر، هارا-يامامورا إتش، وآخرون . (نوفمبر 2020). "مفاعل ترشيح بالتنقيط قائم على نظام كيميائي حيوي لمعالجة مياه الصرف الصحي". تكنولوجيا الموارد الحيوية . 315 123798. Bibcode : 2020BiTec.31523798L . doi : 10.1016/j.biortech.2020.123798 . PMID 32707501. S2CID 225536351 .   
  • ساساكي ك، موريتا إم، ساساكي د، هيرانو إس، ماتسوموتو إن، أومورا إن، إيجاراشي واي (يناير 2011). “مجتمعات الميثانوجين على أقطاب المفاعلات الكهروكيميائية الحيوية بدون أغشية”. مجلة العلوم البيولوجية والهندسة الحيوية . 111 (1): 47– 9. دوى : 10.1016/j.jbiosc.2010.08.010 . بميد 20840887 . 
  • غفاري س، حسن م، أروا مك (2009). "معالجة النترات في مفاعل كهروكيميائي حيوي جديد (UBER) باستخدام الكربون المنشط بقشرة النخيل كمادة كاثود". الكهروكيميائية اكتا . 54 (17): 4164–71 . دوى : 10.1016/j.electacta.2009.02.062 .
  • جويل، آر. كيه.، وفلورا، جيه. آر. (2005). "النترجة وإزالة النتروجين المتتابعة في مفاعل حيوي كهروكيميائي ذي خلايا منقسمة ونمو ملتصق". مجلة علوم الهندسة البيئية . 22 (4): 440-449 . doi : 10.1089/ees.2005.22.440 .
  • واتانابي تي، جين إتش دبليو، تشو كيه جيه، كورودا إم (2004). "تطبيق عملية مفاعل كهروكيميائي حيوي للمعالجة المباشرة لمياه الصرف الناتجة عن تخليل المعادن والتي تحتوي على معادن ثقيلة ونترات عالية التركيز". علوم وتكنولوجيا المياه . 50 (8): 111-118 . Bibcode : 2004WSTec..50..111W . doi : 10.2166/wst.2004.0501 . PMID 15566194 .