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。詳細を知りたいですか?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食物網の残りの部分に伝えます。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、植物油から生成されます[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基盤を失い、希少性の高まりが食料価格、飢餓、政情不安を引き起こしている[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、食物に必要のない植物や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、食物連鎖をまとめ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。腸内細菌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 Schamphelaire etal。; Strik etal。]。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、またはバイオ精製所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。

内容
  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)電位に満ちています。

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光合成のビジネスに取り掛かるとき、根圏として知られる土壌層に根から老廃物をしみ出させます。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ともに食いつぶします[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おり、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、「無料の昼食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?愛やお菓子作りと同じように、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 + 6O 2 →6C O2 + 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い隠しています。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。だから、代わりにグルコースと酸素農産物二酸化炭素と水に反応し、ここでグルコースおよび水の生産二酸化炭素、プロトン(正に帯電した水素イオン(Hの+))と電子(e -)[源:BennettoはRabaeyとVerstraete ]。

C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O→6CO 2 + 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。

60 2 + 24H + + 24eと- →12H 2 O

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。電位は、外部接続ワイヤに沿って電子が流れるように誘導します。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 ]。

さらに、それらは私たちの最も保護された土地のいくつか(湿地と耕作地)で最もよく機能するため、PMFCは厳しい環境承認プロセスに直面する可能性があります。一方、廃水MFCはアンモニウムを酸化し、硝酸塩を減らすことができるため、植物ベースのMFCは、湿地を農業流出から保護することでリスクのバランスを取ることができる可能性があります[出典:Deng、Chen、Zhao ; ミラー; ツイード]。

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?

2012年の時点で、PMFCは多くのエネルギーを生成せず、水生環境でのみ機能します。リードマンナグラス(Glyceria maxima)、イネ、一般的なコードグラス(Spartina anglica)、ダンチクArundo donax)などの植物があります[出典:Deng、Chen、趙; PlantPower ]。ヴァーヘニンゲンにあるオランダ生態学研究所の屋上パッチのように、PMFCの分野に出くわした場合、土壌から伸びるカラフルな配線を除いて、それが植物のコレクション以上のものであることを決して知りません[出典:ウィリアムズ]。

それでも、バイオ燃料がすでに過負荷になっている世界の食糧供給システムに負担をかけているなど、他の世界的な持続可能性の問題に対処するための潜在的なアプリケーションは、研究者と少なくとも1つの探索ベンチャーである523万ユーロのプロジェクトPlantPowerに刺激を与え続けています[出典:Deng 、陳と趙; PlantPower ;テネンバウム]。

PMFCはすでに水生植物に取り組んでいるため、農民や村はそれらを実施するために水ベースの稲作を捨てる必要はありません。より大規模な場合、コミュニティは湿地や土壌の質の悪い地域にPMFCを設置し、エネルギーと食料生産の間の土地の競争を回避することができます[出典:Strik etal。 ]。温室のような製造環境は年間を通じてエネルギーを生産する可能性がありますが、農地の電力生産は成長期に依存します[出典:PlantPower ]。

より多くのエネルギーを地元で生産することは、それ自体が温室効果ガスの主要な貢献者である燃料輸送の需要を減らすことによって、炭素排出量を減らすことができます。しかし、落とし穴があり、それはかなり重要な問題です。PMFCが可能な限り効率的になったとしても、それでもボトルネックに直面しています。それは、植物自体の光合成効率と廃棄物の生成です。

植物は、太陽エネルギーをバイオマスに変換するのに驚くほど非効率的です。この変換限界は、光合成に影響を与える量子的要因と、葉緑体が入射する太陽放射の約45%を占める400〜700ナノメートルの帯域の光しか吸収しないという事実から生じています[出典:宮本]。

地球上で最も普及している2種類の光合成植物は、C3とC4として知られており、CO 2分解中に最初に形成される分子の炭素原子の数にちなんで名付けられました[出典:Seegren、Cowcer、Romeo ; SERC ]。サトウキビやトウモロコシなどのC4植物が6%近くまで上昇するのに対し、木を含む地球上の植物の95%を構成するC3植物の理論上の変換限界は、わずか4.6%で最高になります。ただし、実際には、これらの植物タイプはそれぞれ、一般にこれらの値の70%しか達成していません[出典:Deng、Chen、Zhao ;宮本; SERC ]。

PMFCの場合、他の機械と同様に、作業の実行中、またはこの場合はプラントの成長中にエネルギーが失われます。光合成によって構築されたバイオマスのうち、根圏に到達するのはわずか20%であり、微生物が食物として利用できるようになるのはその30%のみです[出典:Deng、Chen、Zhao ]。

PMFCは、結果として生じる微生物代謝からエネルギーの約9%を電気として回収します。合計すると、PMFCの太陽光から電気への変換率はC3プラントで0.017パーセント((4.6パーセントの変換率の70パーセント)x20パーセントx30パーセントx9パーセント)に近づき、C4プラントで0.022パーセント(0.70 x 6.0 x 0.20 x 0.30 x 0.09)[出典:Deng、Chen、Zhao ; 宮本; SERC ]。

実際、一部の研究者は、これらの仮定がPMFCの可能性を過小評価している可能性があると考えています。これは、消費者にとって朗報にすぎません。

ハイドロマティックです

バッテリーのみよりも走行距離が長く、大型車への搭載が容易な燃料電池への関心は、2012年11月現在も急上昇している[出典:Ko ]。しかし、水素燃料は緑がかったように見えるかもしれませんが、その生産には大量の電気が必要であり、カーボンニュートラルではありません[出典:Wüst ]。自然に水素ガスを生成するPMFCは、真にグリーンな水素燃料生産への希望を提供する可能性があります。

石油から鋤の刃へ

あなたはPMFCの2つの異なるデザインを見ています。どちらも、オランダのワーヘニンゲンの屋上に配置されていました。

他の新しいテクノロジーと同様に、PMFCは多くの課題に直面しています。たとえば、植物の成長とエネルギー伝達を同時に促進する基質が必要です。これは、時には対立する2つの目標です。たとえば、2つのセルの半分の間のpHの違いは、イオンが膜を横切って「短絡」して化学的バランスを達成するため、電位の損失を引き起こす可能性があります[出典:Helder etal。 ]。

ただし、エンジニアが問題を解決できれば、PMFCは広大で多様な可能性を秘めている可能性があります。それはすべて、彼らがどれだけのエネルギーを生み出すことができるかにかかっています。2008年の推定によると、その魔法の数は、毎年1ヘクタール(2.5エーカー)あたり約21ギガジュール(5,800キロワット時)になります[出典:Striketal。]。より最近の研究では、その数は1ヘクタールあたり1,000ギガジュールに達する可能性があると推定されています[出典:Strik etal。]。視点に関するいくつかの事実[出典:BP ; 欧州委員会]:

  • 石油のバレルには、約6ギガジュールの化学エネルギーが含まれています。
  • ヨーロッパには1370万人の農民がおり、各農場の平均は12ヘクタール(29.6エーカー)です。
  • 比較すると、アメリカにはそれぞれ平均180ヘクタール(444.6エーカー)の200万人の農民がいます。

これらの数値に基づいて、米国とヨーロッパの農地の1%がPMFCに変換された場合、ヨーロッパでは年間3,450万ギガジュール(95.8億キロワット時)、7,560万ギガジュール(20.9アメリカでは年間10億キロワット時)。

比較すると、2010年の欧州連合27か国は、17億5,900万トンの石油換算(TOE)のエネルギー、つまり742億ギガジュール(20.5兆キロワット時を消費しました。TOEは国際比較の標準化された単位であり、1トンの石油に含まれるエネルギーに相当します[出典:欧州委員会; ユニバーサイエンス]。

この単純化されたシナリオでは、PMFCは非常に大きなエネルギーバケットにドロップを提供しますが、これは汚染のないドロップであり、煙を吐き出す発電所や鳥を粉砕する風力発電所ではなく、緑豊かな風景から生成されたドロップです。

また、それはほんの始まりに過ぎません。研究者たちはすでにより効率的な廃棄物を飲み込むバクテリアに取り組んでおり、2008年から2012年の間に、一部のPMFCでは基質化学の進歩により電気生産が2倍以上になりました。PlantPowerは、完成すると、PMFCはヨーロッパの一次エネルギーの20%を提供できると主張しています。つまり、変換されていない天然資源から得られるエネルギーです[出典:Øvergaard ; PlantPower ]。

PMFCは、幅広い実装を享受する前に、より安価で効率的になる必要がありますが、進歩は進んでいます。すでに、多くのMFCは、貴金属や高価なグラファイトフェルトではなく、導電性の高いカーボンクロスから電極を製造することでコストを節約しています[出典:Deng、Chen、Zhao ; ツイード]。2012年の時点で、実験室の条件下で1立方メートルのセットアップを操作するのに70ドルかかりました。

汚染物質を除去し、温室効果ガスを削減する可能性を考えるとき、誰が知っていますか?PMFCは、将来の発電所になるのに十分な投資家と政府の関心を集めることができます。あるいは、さらに良いアイデアの種を植えることもできます[出典:Deng、Chen、Zhao ]。

多くの詳細情報

著者注:植物微生物燃料電池のしくみ

考えてみれば、バクテリアの消化プロセスを実行できるバッテリーを構築することで、サイボーグやセルフパワードマシンに一歩近づくことができます。人体は食物をエネルギーに変換するために腸内細菌に依存しています。このプロセスを利用して燃料電池を搾り出すことができれば、ペースメーカーなどの身体インプラントにも電力を供給することができます。

ハーバード大学医学部とマサチューセッツ工科大学の研究者はすでにこの線を曖昧にして、再循環した脳脊髄液から収穫するブドウ糖を動力源とする脳チップを構築しています[出典:Rapoport、Kedzierski、Sarpeshkar ]。サイバーブレインははるかに遅れることができますか?(まあ、はい、おそらく)。

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ことができます。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。

誰かがこの考えを追求するならば、私は彼らがPMFCを採用することを望みます。私はSalviahispanica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。

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ソース

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