植物微生物燃料電池のしくみ

2013-01-17
植物微生物燃料電池が普及すれば、このようなイネは食物だけでなくエネルギーも意味する可能性があります。もっと知りたいですか?これらの代替燃料車の写真をチェックしてください。

直接的または間接的に、地球上のほぼすべての生命は太陽光発電です。

植物は太陽光を有機化合物に変換し、他の生命が消費すると、太陽のエネルギーを残りの食物網に伝えます。人間として、私たちは消化を通して、そして生または加工された植物を燃やすことによって、この蓄積されたエネルギーにアクセスします。石油は地質学的な力によって変換された、死んだ有機物であり、第1世代のバイオ燃料は、トウモロコシ、サトウキビ、植物油から作られています[出典:ニューヨークタイムズ]。

残念ながら、石油はエネルギーと同様に環境と安全保障の問題に満ちており、他の燃料を燃焼させることによって精製される第1世代のバイオ燃料はカーボンニュートラルに十分に及ばない。さらに悪いことに、世界の食用作物は文字通りバイオ燃料生産の地盤を失い、希少性の高まりは食料価格、飢餓、政情不安を押し上げています[出典:ニューヨークタイムズ]。

しかし、もし私たちのご飯を持ってそれを燃やす方法があったとしたらどうでしょうか?作物を殺さずにエネルギーを引き出したり、植物や食料に必要のない土地を使って微生物の力で発電したりできるとしたらどうでしょうか。それが植物微生物燃料電池PMFC )の背後にある考え方です。

生命を働かせるということになると、植物はすべての良い報道を得るかもしれませんが、食物連鎖を一緒に保持しているのは非常に悪意のある微生物です。具体的には、シアノバクテリアはその基盤を形成するのに役立ちます。腸内微生物は私たちがそれから食物を消化するのを助けます。そして土壌バクテリアは、結果として生じる廃棄物を植物が使用できる栄養素に変えます。

何十年もの間、研究者たちはこの微生物代謝から力を引き出すための可能な方法を探し回ってきました。1970年代までに、彼らの努力は微生物燃料電池MFC)の形で実を結び始めました-微生物によって触媒される化学反応から直接電気を生成する装置[出典:RabaeyとVerstraete ]。MFCは、汚染物質の監視、水の洗浄と脱塩、リモートセンサーと機器への電力供給のための再生可能な低電力オプションを提供します。

もちろん、落とし穴があります。MFCは、何かが気になる場合にのみ機能します。通常、廃水中の有機物です[出典:Deng、Chen、Zhao ; ONR ]。研究者たちは、その廃棄物(終わりのない太陽光発電のビュッフェ)を植物自体から土壌微生物に直接届けることができることに気づき、アイデアの種が植えられました。

2008年までに、研究者はこれらの植物を動力源とするMFCの最初のものを発表する論文を発表し、その可能性はますます明らかになりました[出典:Deng、Chen、Zhao ; De Schamphelaireetal。; Striketal。]。このスケーラブルな技術を使用すると、発展途上国の村や農場は自給自足になり、先進国は湿地、温室、またはバイオリファイナリーから電力を引き出すことで温室の設置面積を減らすことができます[出典:Doty ; PlantPower ]。

要するに、PMFCは、「発電所」のより新しく、より環境に優しいスピンです。

コンテンツ
  1. ロームのような場所はありません
  2. PMFC:すべてが濡れているのか、それともその分野で優れているのか?
  3. 石油から鋤の刃へ

ロームのような場所はありません

結局のところ、土壌は未開発の(電気的)ポテンシャルに満ちています。

緑の植物は、太陽光から化学エネルギーにエネルギーを変換し、それをブドウ糖などの糖に貯蔵するという光合成のビジネスを行うと、根圏として知られる土壌層に根から老廃物を染み出させます。そこでは、バクテリアが植物の脱落した細胞を、その根から放出されるタンパク質や糖と一緒に食いつぶします[出典:インガム]。

PMFCの用語では、これは、植物が生きている限り、バクテリアが食事券を持っていて、燃料電池が発電することを意味します。システムが外部ソース、つまり太陽からエネルギーを受け取るため、「フリーランチのようなものはない」と解釈される熱力学の第1法則が依然として適用されます。

しかし、地球上またはその下で、微生物は単に食物を消費して代謝するだけで電気を生成するのでしょうか?愛やベーキングと同様に、それはすべて化学に帰着します。

大まかに言えば、MFCは、電気生化学的プロセス(代謝)の2つの半分を分離し、それらを電気回路に配線することによって機能します。その方法を理解するために、細胞代謝を詳しく見てみましょう。

次の教科書の例では、ブドウ糖と酸素が反応して二酸化炭素と水を生成します[出典:Benneto ; RabaeyとVerstraete ]。

C 6 H 12 O 6 +6O2 → 6CO2 + 6H 2 O

しかし、個々の細胞、またはバクテリアのような単細胞生物の中で、この幅広い声明は一連の中間段階を覆っています。これらのステップのいくつかは、私たち全員が知っているように、電気を生成するのに便利な電子を一時的に放出します。したがって、グルコースと酸素が反応して二酸化炭素と水を生成する代わりに、ここではグルコースと水が二酸化炭素、陽子(正に帯電した水素イオン(H +))、および電子(e- を生成します[出典:Bennett ; RabaeyとVerstraete ]。

C 6 H 12 O 6 + 6H2O 6CO2 + 24H + + 24e-

PMFCでは、プロセスのこの半分が燃料電池の半分を定義します。この部分は、植物の根、老廃物、バクテリアのある根圏にあります。セルの残りの半分は、透過膜の反対側にある酸素が豊富な水にあります。自然環境では、この膜は土壌と水の境界によって形成されます[出典:ベネット; RabaeyとVerstraete ; 鄧、陳、趙]。

セルの後半では、次のように、自由な陽子と電子が酸素と結合して水を生成します。

6O 2 + 24H ++ 24e- → 12H2O _

陽子は、イオン交換膜を横切って流れることによってこの後半に到達し、正味の正電荷を生成します。これにより、外部接続ワイヤに沿って電子が流れるように誘導される電位が発生します。出来上がり!電流[出典:ベネット; RabaeyとVerstraete ; 鄧、陳、趙]。

しかし、いくらですか?

潜在的な問題を根絶する

PMFCの環境への影響を判断するには、電極が根の環境にどのように影響するかなど、さまざまな分野についてさらに調査する必要があります。それらは、例えば、栄養素の利用可能性を低下させたり、感染を撃退する植物の能力を低下させたりする可能性があります[出典:Deng、Chen、Zhao ]。

Moreover, because they work best in some of our most protected lands -- wetlands and croplands -- PMFCs could face a steep environmental approval process. On the other hand, wastewater MFCs can oxidize ammonium and reduce nitrates, so it is possible that plant-based MFCs could balance the risk by protecting wetlands from agricultural runoff [sources: Deng, Chen and Zhao; Miller; Tweed].

PMFCs: All Wet, or Outstanding in Their Field?

As of 2012, PMFCs don't produce much energy and work only in aquatic environments, with plants like reed mannagrass (Glyceria maxima), rice, common cordgrass (Spartina anglica) and giant reed (Arundo donax) [sources: Deng, Chen and Zhao; PlantPower]. If you ran across a field of PMFCs, like the rooftop patch at the Netherlands Institute of Ecology in Wageningen, you'd never know it was anything more than a collection of plants, except for the colorful wiring trailing out from the soil [source: Williams ].

Still, their potential applications in addressing other global sustainability problems, including the strain placed by biofuels on an already overburdened global food supply system, continues to inspire researchers and at least one exploratory venture, the 5.23-million-euro project PlantPower [sources: Deng, Chen and Zhao; PlantPower; Tenenbaum].

Because PMFCs already work on aquatic plants, farmers and villages need not dump their water-based rice crops in order to implement them. On a larger scale, communities could set up PMFCs in wetlands or areas of poor soil quality, avoiding land competition between energy and food production [source: Strik et al. ]. Manufactured settings like greenhouses could produce energy throughout the year, but farmland electricity production would depend on the growth season [source: PlantPower].

Producing more energy locally could lower carbon emissions by reducing the demand for fuel shipping -- itself a major greenhouse gas contributor. But there's a catch, and it's a pretty significant one: Even if PMFCs become as efficient as possible, they still face a bottleneck -- the photosynthetic efficiency and waste production of the plant itself.

Plants are surprisingly inefficient at transforming solar energy into biomass. This conversion limit springs partly from quantum factors affecting photosynthesis and partly from the fact that chloroplasts only absorb light in the 400-700 nanometer band, which accounts for about 45 percent of incoming solar radiation [source: Miyamoto].

The two most prevalent types of photosynthesizing plants on Earth are known as C3 and C4, so named because of the number of carbon atoms in the first molecules they form during CO2 breakdown [sources: Seegren, Cowcer and Romeo; SERC]. The theoretical conversion limit for C3 plants, which make up 95 percent of plants on Earth, including trees, tops out at a mere 4.6 percent, while C4 plants like sugar cane and corn climb nearer to 6 percent. In practice, however, each of these plant types generally achieve only 70 percent of these values [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

With PMFCs, as with any machine, some energy is lost in running the works -- or, in this case, in growing the plant. Of the biomass built by photosynthesis, only 20 percent reaches the rhizosphere, and only 30 percent of that becomes available to microbes as food [source: Deng, Chen and Zhao].

PMFCs recover around 9 percent of the energy from the resulting microbial metabolism as electricity. Altogether, that amounts to a PMFC solar-to-electrical conversion rate approaching 0.017 percent for C3 plants ((70 percent of the 4.6 percent conversion rate) x 20 percent x 30 percent x 9 percent) and 0.022 percent for C4 plants (0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09) [sources: Deng, Chen and Zhao; Miyamoto; SERC].

In fact, some researchers think those assumptions may underestimate the potential of PMFCs, which can only be good news for consumers.

It's Hydromatic

Interest in fuel cells, which enable cars to cover more miles than battery power alone and are more easily implemented in large vehicles, continued to surge as of November 2012 [source: Ko]. But, while hydrogen fuel might seem green-ish, its production requires loads of electricity, which makes it anything but carbon-neutral [source: Wüst]. PMFCs, which naturally produce hydrogen gas, could offer hope for truly green hydrogen fuel production.

From Petroleum to Plowshares

You're looking at two different designs for PMFCs, both of which were placed on a rooftop in Wageningen, the Netherlands.

Like any new technology, PMFCs face a number of challenges; for instance, they need a substrate that simultaneously favors plant growth and energy transfer -- two goals that are sometimes at odds. Differences in pH between the two cell halves, for example, can bring about loss of electrical potential, as ions "short" across the membrane to achieve chemical balance [source: Helder et al. ].

If engineers can work out the kinks, though, PMFCs could hold both vast and varied potential. It all comes down to how much energy they can produce. According to a 2008 estimate, that magic number comes in at around 21 gigajoules (5,800 kilowatt-hours) per hectare (2.5 acres) each year [source: Strik et al.]. More recent research has estimated that number could go as high 1,000 gigajoules per hectare [source: Strik et al.]. A few more facts for perspective [sources: BP; European Commission]:

  • A barrel of oil contains around 6 gigajoules of chemical energy.
  • Europe is home to 13.7 million farmers, with each farm averaging 12 hectares (29.6 acres).
  • By comparison, America has 2 million farmers averaging 180 hectares (444.6 acres) each.

Based on these numbers, if 1 percent of U.S. and European farmlands were converted to PMFCs, they would yield a back-of-the-envelope estimate of 34.5 million gigajoules (9.58 billion kilowatt-hours) annually for Europe and 75.6 million gigajoules (20.9 billion kilowatt-hours) annually for America.

By comparison, the 27 European Union countries in 2010 consumed 1,759 million tons of oil equivalent (TOE) in energy, or 74.2 billion gigajoules (20.5 trillion kilowatt-hours). TOE is a standardized unit of international comparison, equal to the energy contained in one ton of petroleum [sources: European Commission; Universcience].

In this simplified scenario, PMFCs provide a drop in a very large energy bucket, but it's a pollution-free drop, and a drop generated from lush landscapes instead of smoke-belching power plants or bird-smashing wind farms .

Moreover, it's just the beginning. Researchers are already working on more efficient waste-gobbling bacteria and, between 2008 and 2012, advances in substrate chemistry more than doubled electrical production in some PMFCs. PlantPower argues that, once perfected, PMFCs could provide as much as 20 percent of Europe's primary energy -- that is, energy derived from untransformed natural resources [source: Øvergaard; PlantPower].

PMFCs must become cheaper and more efficient before they can enjoy wide implementation, but progress is under way. Already, many MFCs save money by manufacturing electrodes from highly conductive carbon cloth rather than precious metals or expensive graphite felt [sources: Deng, Chen and Zhao; Tweed]. As of 2012, it cost $70 to operate a one-cubic-meter setup under laboratory conditions.

When one considers their potential for removing pollutants and for reducing greenhouse gases, who knows? PMFCs could garner enough investor and government interest to become the power plants of the future -- or plant the seed for an even better idea [source: Deng, Chen and Zhao].

Lots More Information

Authors Note: How Plant-microbial Fuel Cells Work

If you think about it, building a battery that can run off of bacterial digestive processes brings us one step closer to cyborgs and self-powered machines. The human body relies on gut bacteria to convert food into energy; if we could tap into this process to juice fuel cells, then we might also power bodily implants, such as pacemakers.

Researchers at Harvard Medical School and Massachusetts Institute of Technology have already blurred this line, constructing a brain chip powered by glucose, which it harvests from recirculated cerebrospinal fluid [source: Rapoport, Kedzierski and Sarpeshkar]. Can cyberbrains be far behind? (Well, yes, probably).

想像してみてください。放牧する機械を作ることができます。OK、それは光線銃やロケット船ほどセクシーに聞こえないかもしれませんが、そのようなマシンは、再充電や新しいバッテリーを必要とせずに、フィールドで無期限にアクティブなままでいる可能性があります。MFCのコレクションは、植物のブドウ糖から電気を引き出して、その場しのぎの腸を形成する可能性があります。

誰かがこのアイデアを追求するなら、私は彼らがPMFCを採用することを望みます。私はサルビアヒスパニカで覆われた白いセラミックロボットの群れを想像し、質問をします:

アンドロイドは電気チアペットを夢見ていますか?

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ソース

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