Tradotto da Monica Mauri

Una pinza a coccodrillo Immagine gentilmente concessa da Jobalou / iStockphoto

Sappiamo tutti che il lievito viene utilizzato per produrre la birra e il pane – ma per produrre energia elettrica? Dean Madden del National Centre for Biotechnology Education, University of Reading, UK, ci mostra come funziona.

Introduzione

Per decenni, i microbi che producono elettricità sono stati una curiosità biologica. Ora, tuttavia, i ricercatori guardano ad un loro impiego negli orologi e nelle fotocamere, come sorgenti di energia e per ottenere bioreattori che generino elettricità a partire da rifiuti organici. La pila (o cella) a combustibile microbico qui descritta genera una corrente elettrica dirottando elettroni dalla catena di trasporto elettronica del lievito. Essa usa un “mediatore” (in questo caso il blu di metilene) per catturare gli elettroni e trasferirli ad un circuito esterno. Questo processo non è molto efficiente, e questa pila a combustibile dimostrativa genererà solo una corrente molto bassa. In classe, questo lavoro può fornire una stimolante introduzione allo studio della respirazione, e permettere lo studio di alcuni dei fattori che influenzano la respirazione microbica. Più recentemente sono state sviluppate pile a combustibile di maggiore efficienza prive di mediatori, nelle quali i microorganismi donano gli elettroni direttamente agli elettrodi delle pile.

Attrezzatura e materiali

Occorrente per ogni studente o gruppo di lavoro

Attrezzatura

• Cella a combustibile di Perspex, ricavata da un foglio di Perspex dello spessore di 4 mm
• 2 guarnizioni di neoprene
• Membrana a scambio cationico, ritagliata in modo da inserirla tra le camere della cella a combustibile. La membrana potrebbe essere riutilizzata per un tempo indefinito, ma fonderà se sterilizzata in autoclave.
• 2 siringhe di plastica da 10 ml, per la distribuzione dei liquidi
• Base o coperchio di una piastra di Petri sul quale appoggiare la cella
• 2 cavi elettrici con pinze a coccodrillo
• Un voltmetro o multimetro da 0 – 5 Volt e/o un motore a basso voltaggio
• Forbici.

Materiali

• 2 elettrodi in tessuto di fibra di carbonio, ritagliati in modo da inserirli all’interno della cella
• 2 pezzi di J-Cloth® o di un tessuto simile, tagliati in modo da inserirli all’interno della cella (lo scopo di questo tessuto è semplicemente quello di impedire agli elettrodi di toccare la membrane a scambio cationico, mandando in cortocircuito la pila

Importante: Tutte le soluzioni elencate in seguito devono essere preparate in un tampone fosfato 0.1 M, a pH 7.0, non in acqua.

• Lievito essiccato, trasformato in un denso impasto semiliquido in tampone fosfato 0,1 M (non aggiungere la soluzione di glucosio senza prima aver reidratato il lievito nel tampone)
• 5 ml di soluzione di blu di metilene (10 mM)
• 5 ml di soluzione di glucosio (1 M)
• 10 ml di soluzione di esacianoferrato (III) di potassio (0.02 M) (denominato anche potassio ferricianuro).

Procedimento

Ritagliare due elettrodi di fibra di carbonio come mostrato nella figura. Ritagliare due pezzi di J-Cloth® da inserire all’interno della cella. Assemblare la cella a combustibile come mostrato sotto. Appoggiare la cella a combustibile assemblata in una base o un coperchio di una piastra di Petri, in modo da raccogliere qualunque liquido dovesse fuoriuscire dalla cella. Mescolare volumi uguali (5 ml) dell’impasto di lievito, e delle soluzioni di glucosio e di blu di metilene. Iniettare questa miscela in una camera della cella a combustibile. 6. Iniettare la soluzione di esacianoferrato (III) di potassio nell’altra camera della cella. Collegare un voltmetro o un multimetro (mediante le pinze a coccodrillo) ai terminali degli elettrodi. Dovrebbe generarsi immediatamente una corrente – se il misuratore segnala zero, controllare le connessioni e assicurarsi che gli elettrodi in fibra di carbonio non stiano toccando la membrana a scambio ionico.

La fibra di carbonio utilizzata per costruire gli elettrodi ha una ‘trama’. Per essere sicuri che la lunga ‘coda’ dell’elettrodo non si strappi e che si inserisca facilmente attraverso il foro nella cella a combustibile, è necessario tagliare ed avvolgere l’elettrodo come mostrato qui. Tagliare fino circa alla metà della parte superiore come mostrato, quindi piegare in due, e poi ancora in due per formare una ‘coda’ sull’elettrodo. Cliccare sull’immagine per ingrandirla Immagine gentilmente concessa da Dean Madden

Come assemblare una cella microbica (le esatte dimensioni sono ininfluenti – quella mostrata qui è all’incirca 55 mm x 55 mm)
Immagine gentilmente concessa da Dean Madden

Risultati tipici

Le celle a combustibile microbico di questo tipo solitamente generano 0.4 – 0.6 V e 3 – 50 mA. Se la cella viene ricaricata con le soluzioni come necessario, continuerà a generare elettricità per alcuni giorni.

Come funziona la pila a combustibile microbico:
In una camera della cella, le cellule di lievito sono nutrite con una soluzione di glucosio. Un mediatore, il blu di metilene, entra nelle cellule di lievito e sottrae elettroni dalla catena di trasporto elettronico del lievito. Gli elettroni vengono quindi passati ad un elettrodo (l’anodo). Gli elettroni passano attraverso il circuito esterno e vengono acquistati dall’esacianoferrato di potassio (III) nella seconda camera della cella. Gli ioni idrogeno passano attraverso una membrana a scambio cationico, che separa le due camere.
Pile di questo tipo solitamente generano 0.4-0.6 V e 3-50 mA. Questo è sufficiente per alimentare un motore a voltaggio molto basso. Se alcune celle di questo tipo vengono unite in serie, è possibile accendere un diodo ad emissione luminosa (LED)
Immagine gentilmente concessa da Dean Madden

Sicurezza

L’esacianoferrato (III) di potassio è velenoso. Bisognerebbe indossare una protezione per gli occhi quando si manipola questo materiale. Se la soluzione viene a contatto con gli occhi, sciacquarli abbondantemente con acqua e richiedere l’intervento di un medico. Se ingerito, dare molta acqua da bere e richiedere l’intervento di un medico. Se versata sulla pelle, la soluzione dovrebbe essere subito lavata via con acqua. Bisognerebbe osservare le regole vigenti localmente per lo smaltimento della soluzione usata.

Dosaggi

Per preparare il tampone fosfato 0.1 M, a pH 7.0, sciogliere 4.08 g di Na₂HPO₄e 3.29 g di NaH₂PO₄in 500 ml di acqua distillata.

Preparazione e tempistica

La cella a combustibile microbico ultimata. Cliccare sull’immagine per ingrandirla Immagine gentilmente concessa da Dean Madden

Le soluzioni dei reagenti potrebbero essere preparate in anticipo. Si noti, tuttavia, che la soluzione di glucosio non dovrebbe essere preparata con un anticipo superiore alle 24 ore rispetto all’esecuzione dell’esperimento, poiché la soluzione non è sterile e potrebbe quindi favorire la crescita di microrganismi contaminanti. Pre-immergere la membrane a scambio cationico in acqua distillata 24 ore prima dell’uso. Il lievito essiccato può essere reidratato non appena la cella a combustibile viene assemblata, sebbene sia importante aggiungere prima il lievito essiccato alla soluzione tampone, quindi aggiungere la soluzione di glucosio all’impasto di lievito. Se si prova a reidratare il lievito direttamente nella soluzione di glucosio, gli effetti osmotici ritarderanno il processo. (Se si usa lievito fresco, farne semplicemente un impasto denso con la soluzione tampone prima di aggiungere la soluzione di glucosio)

Ci vogliono circa 30 minuti dall’assemblaggio della cella a combustibile alla generazione di elettricità.

Opportunità di ricerche senza limiti definiti

Alcune celle a combustibile potrebbero essere collegate in serie per dare un maggiore voltaggio; la corrente prodotta rimarrà la stessa, tuttavia. Al contrario, aumentando le dimensioni della cella (o l’area degli elettrodi) aumenterà la corrente generata, ma non il voltaggio.

Potrebbero essere utilizzati diversi mediatori e/o tipi di lievito, come lieviti per il vino o per il pane. Notare che per ragioni di sicurezza, non è consigliato l’uso di questa cella a combustibile con altri tipi di microrganismi.

Studiate l’effetto della temperature sull’azione della cella a combustibile (ricordate di considerare quali ‘controlli’ sono necessari quando si fanno confronti di questo tipo).

Fornitori

Celle a combustibile microbico idonee per esperimenti scolastici come quelle descritte qui sono disponibili presso il National Centre for Biotechnology Education (NCBE) dell’Università di Reading, UK^w1.

Per chi preferisce costruire da sé la propria cella a combustibile, seguendo le istruzioni di questo articolo, la membrana a scambio cationico e gli elettrodi di tessuto di fibra di carbonio sono anch’essi disponibili presso l’NCBE. La membrana a scambio cationico può anche essere acquistata da VWR^w2.

Motori a basso voltaggio adatti ad essere usati con pile come quelle qui descritte sono costosi e difficili da reperire.

Smaltimento dei rifiuti e riciclo dei materiali

L’esacianoferrato (III) di potassio è velenoso. Si dovrebbero osservare le normative locali all’atto dello smaltimento delle soluzioni utilizzate.

Conservazione dei materiali

La pila a combustibile microbico Immagine gentilmente concessa da Dean Madden

La soluzione di esacianoferrato (III) di potassio è sensibile alla luce e dovrebbe quindi essere conservata in una bottiglia a prova di luce o in una bottiglia avvolta in un foglio di alluminio. Non dovrebbe essere conservata per più di sei mesi. Potreste voler conservare la membrana a scambio cationico in una bottiglia di acqua distillata, in modo che sia pronto all’uso. Bisognerebbe cambiare l’acqua di tanto in tanto, se la membrana viene conservata per un periodo prolungato. Il lievito essiccato, anche se conservato in un contenitore a chiusura ermetica, ha una durata limitata. Per questo motivo deve essere rispettata la data di scadenza indicata dal fornitore.

Ringraziamenti

La pila a combustibile microbico è stata sviluppata dal Dr Peter Bennetto, che in passato ha fatto parte del Dipartimento di Chimica, presso il King’s College, Londra, UK. È stata adattata ad impieghi scolastici da John Schollar e Dean Madden.

Riferimenti web

w1 – Per saperne di più sul National Centre for Biotechnology Education (NCBE) e per ordinare le loro celle a combustibile, vedere: www.ncbe.reading.ac.uk

w2 – Per contattare VWR, il fornitore della membrane a scambio cationico, vedere: www.vwr.com

Fonti

Bennetto P (1987) Microbes come to power. New Scientist 114: 36–40

Bennetto HP (1990) Electricity generation by micro-organisms. BIO/technology Education 1: 163–168. Questo articolo può essere scaricato dal sito web dell’NCBE: www.ncbe.reading.ac.uk oppure da qui: http://tinyurl.com/ncf6ql

Lovley DR (2006) Bug juice: harvesting electricity with micro-organisms. Nature Reviews Microbiology 4: 497–508. doi: 10.1038/nrmicro1442

Sell D (2001) Bioelectrochemical fuel cells. In: Biotechnology. Volume 10: Special Processes (Second edition). Rehm H-J and Reed G (Eds). Frankfurt am Main, Germany: Wiley-VCH. ISBN: 9783527620937

Per un elenco completo di tutte le attività didattiche pubblicate su Science in School, vedere: www.scienceinschool.org/teaching

Dr Dean Madden è un biologo che lavora presso il National Centre for Biotechnology Education (NCBE)^w1 all’Università di Reading, UK. L’NCBE fu istituito nel 1984 e da allora ha conquistato una fama internazionale per lo sviluppo di risorse didattiche innovative; i suoi lavori sono stati tradotti in molte lingue, tra le quali Tedesco, Svedese, Francese, Olandese e Danese.

Recensione

Questo articolo descrive una prova pratica di laboratorio che mostra il funzionamento della catena di trasporto elettronica. La prova è particolarmente adatta alle lezioni di biologia sulla respirazione microbica. Appare evidente l’opportunità dell’utilizzo di questa prova come approfondimento degli esercizi sulla fermentazione.

La prova può essere utilizzata interdisciplinariamente al confine tra la biotecnologia e la fisica, illustrando l’uso dei microrganismi per la produzione di energia. Potrebbe essere anche correlata alla produzione di bioetanolo, come esempio di un metodo biotecnologico alternativo per la produzione di energia.

Niels Bonderup Dohn, Danimarca

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Indicazioni dell'esperto: Microbiologia, Fisica, Energia