Celulă combustibil microbian: electricitate din drojdie

Tradus de Luminița Chicinaș Inspectoratul Școlar Județean Cluj

Un cotact tip crocodil
Pentru imagine, multumim Jobalou / iStockphoto

Știm cu toții că drojdia este utilizată pentru a produce pâine și bere – dar electricitate? În acest articol, Dean Madden de la Centrul Național pentru Educație în Biotehnologii, Universitatea Reading, Marea Britanie, ne arată cum este posibil acest lucru.

Introducere

Timp de mai multe decade, microbii care produc electricitate au fost considerați o curiozitate biologică. În prezent, cercetătorii au în vedere utilizarea acestor microbi ca surse de energie pentru ceasuri și aparate foto sau video sau ca bioreactori pentru a produce electricitate din gunoiul organic. Celula combustibil microbian descrisă în acest articol produce un curent electric prin distribuirea în paralel a electronilor dintr-un lanț de drojdie. Dispozitivul utilizează un”mediator” (în acest caz albastru de metilen) pentru a culege electronii și a-i transfera într-un circuit extern. Procesul nu este foate eficient, iar această celulă combustibil demonstrativă produce doar un current slab. În clasă, acest dispozitiv oferă o introducere stimulatoare pentru studiul respirației și permite studiul unor factori care influențează respirația microbiană. Mai recent, au fost dezvoltate celule combustibil fără mediator cu eficiență mărită, celule în care microorganismele donează electroni direct electrozilor elementului combustibil.

Echipament și materiale

Necesare pentru fiecare elev sau grup de lucru

Echipament

Celule combustibile Perspex tăiate dintr-o foaie de Perspex de 4 mm grosime
2 garnituri din neoprene
Membrană de schimb cationic tăiată astfel încât să se potrivească între camerele celulei combustibil. Membrana poate fi reutilizată nedefinit dar se va topi dacă este sterilizată în autoclavă.
2 seringi având 10 ml fiecare, din material plastic, utilizate pentru dispersarea lichidelor
Refractor parabolic Petri sau capac utilizat ca bază pe care să stea celula combustibil
Două conductoare electrice având contacte tip crocodile
Voltmetru sau multimetru cu scala de 0 – 5 V și/sau un motor de curent redus
Cuțite.

Materiale

2 electrozi din țesut de fibre de carbon tăiate astfel încât să se potrivească cu interiorul celulei combustibil
2 bucăți de material J-Cloth® sau similar tăiate astfel încât să se potrivească în interiorul celulei combustibil (scopul acestui material este, simplu, de a nu permite electrozilor să atingă membrana de schimb cationic și să scurtcircuiteze astfel celula)

Important: Toate soluțiile enumerate mai jos trebuie să fie realizate cu un agent reducător din fosfat cu 0.1 M, pH 7.0, nu în apă.

Drojdie uscată, modelată ca o pastă groasă folosind ca agent reducător fosfat 0.1 M (nu adăugați soluție de glucoză fără a rehidrata drojdia în agentul reducător)
5 ml soluție de albastru de metilen (10 mM)
5 ml soluție de glucoză (1M)
10 ml soluție de hexacianoferat de potasiu (III) (0.02 M) (numit și fericianidă de potasiu).

Mod de lucru

Tăiați în două bucăți elctrozii din fibre de carbon așa cum se vede în imagine.

Tăiați în două bucăți materialul J-cloth astfel încât să se potrivească în interiorul celulei combustibil.

Asamblați celula combustibil așa cum se vede mai jos.
Așezați celula combustibil astfel asamblată pe baza constând din refractorul Petri sau capac pentru a recupera lichidul care s-ar putea scuge din ea.

Combinați volume egale (5 ml) de soluții de pastă de drojdie, glucoză și albastru de metilen. Introduceți acest amestec, cu ajutorul unei seringi, în una din camerele celulei combustibil.

Introduceți, cu ajutorul unei seringi, soluția de hexacianoferat de potasiu (III) în cealaltă cameră a celulei.

Conectați un voltmetru sau un multimetru (cu ajutorul contactelor crocodil) la capetele electrodului. Ar trebui să se producă, imediat, un current electric – dacă instrumentul de măsură indică zero, atunci verificați conexiunile și asigurați-vă că electrozii din fibră de carbon nu ating membrane de schimb cationic.

Fibrele de carbon utilizate pentru a realiza electrozii au o ”granulă”. Pentru a ne asigura că,”coada”lungă a electrodului nu se taie și că se potrivește ușor prin orificiul din celula combustibil este necesar să se taie și să se înfășoare electrodul așa cum este ilustrat aici. Tăiați jumătate prin partea superioară așa cum este arătat în figură, apoi îndoiți-o în jumătate, apoi încă o dată în jumătate pentru a forma o”coadă” pe electrod. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagine, multumim Dean Madden

Cum se asamblează o celulă combustibil microbian (dimensiunile excte nu sunt neimportante – cea ilustrată aici este cca 55 mm x 55 mm)
Pentru imagine, multumim Dean Madden

Rezultate caracteristice

Celulele combustibil microbian de acest tip generează 0.4-0.6 V și 3-50mA. În cazul în care celula este umplută până sus cu soluții, așa cum este necesar, atunci aceasta va continua să genereze electricitate timp de câteva zile.

Cum funcționează celula combustibil microbian:
Într-o cameră a celulei combustibil, celulele de drojdie sunt hrănite cu soluție de glucoză. Un mediator, albastru de metilen, intră în celulele de drojdie și ia electroni din laințul de transort electronic al drojdiei. Electronii trec prntr-un circuit extern și sunt acceptați de hexacianoferatul de potasiu (III) în cea de-a doua cameră a celulei. Ionii de hidrogen trec prin membrana de schimb cationic care separă cele două camere.
Celulele combustibil microbian de acest tip generează o tensiune electrică de 0.4-0.6 V și un curent electric de 3-50 mA. Aceste valori sunt suficiente pentru a alimenta un motor de putere foarte redusă. Dacă se leagă în serie câteva astfel de celule este posibil să se alimenteze o diodă laser (LED)
Pentru imagine, multumim Dean Madden

Siguranță

Hexacianoferatul de potasiu (III) este otrăvitor. De aceea este necesar să fim precauți la protejarea ochilor pe durata operării cu această substanță. Dacă totuși soluția vine în contact cu ochii, clătiți-i cu apă din abundență și apoi adresați-vă medicului. Dacă din greșeală înghițiți această soluție beți imediat cât mai multă apă și apoi adreați-vă medicului. În cazul în care soluția vine în contact cu pielea, atunci spălați-vă imediat cu apă din abundență. Atunci când se aruncă rămășițele de soluție trebuie respectate regulile de protecție specifice.

Rețetă

Pentru a obține agent reducător de fosfat 0.1 M cu pH 7.0, dizolvați 4.08 g de Na₂HPO₄ și 3.29 g de NaH₂PO₄ în 500 ml de apă distilată.

Preparare și durată

Celula combustibil microbian finită. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagine, multumim Dean Madden

Soluțiile de reactanți pot fi preparate în avans. Țineți minte faptul că soluția de glucoză nu trebuie preparată cu mai mult de 24 de ore înainte de a efectua experimentul deoarece soluția nu este sterilă și de aceea va suferi de creșterea microorganismelor contaminante.

Pre-spălați membrana de schimb cationic cu apă distilată cu 24 de ore înainte de a o utiliza.

Drojdia uscată poate fi rehidratată în timp ce se asamblează celula combustibil, deși este important să se adauge mai întâi drojdie uscată în soluția reducătoare și apoi să se adauge soluția de glucoză la pasta de drojdie. Dacă încercați să rehidratați drojdia direct în soluția de glucoză atunci efectele osmotice vor încetini procesul. (Dacă se utilizează drojdie proaspătă, atunci pur și simplu realizați o pastă groasă împreună cu soluția reducătoare înainte de a adăuga soluția de glucoză).

Este nevoie de cca 30 min din momentul asamblării celulei combustibil până în momentul în care se generează electricitatea.

Scopuri pentru investigații cu final deschis

Se pot lega împreună, în serie, mai multe astfel de celule combustibil cu scopul de a obține o tensiune electrică mai mare; intensitatea curentului elctric produs va avea aceeași valoare. Invers, mărind dimensiunea celulei (sau suprafața electrodului) se va constata o creștere a intensității curentului electric, fără a se modifica însă valoarea tensiunii electrice.

Se pot folosi diferiți alți mediatori și/sau tipuri de drojdie cum ar fi drojdia de vin sau drojdia pentru gătit. Rețineți că din motive de securitate folosirea acestei celule combustibil cu alte microroganisme nu este recomandată.

Investigați efectul temperaturii asupra acțiunii celulei combustibil (nu uitați ce tipuri de ”control” sunt necesare atunci când se studiază comparații de acest tip).

Furnizori

Celeule combustibil microbian adecvate pentru cercetări efectuate în școli de tipul celor descrise în acest articol sunt disponibile la Centrul Național pentru Educație Biotehnlogică (NCBE) de la Universitatea Reading, Marea Britanie^w1.

Pentru cei care doresc să-și construiască propriile celule combustibil, urmând indicațiile din acest articol, îi informăm că membranele de schimb cationic și electrozii din țesătură de fibre de carbon sunt de asemenea disponibili la NCBE. Membrana de schimb cationic poate fi comandată și la VWR^w2.

Motoarele de current slab adecvate pentru a fi folosite cu alimentare de la astfel de celule combustibil, așa cum sunt cele descrise în acest articol, sunt scumpe și dificil de găsit.

Depozitarea reziduurilor și reciclarea materialelor

Soluția de hexacianoferat de potasiu (III) este otrăvitoare. Regulile de depozitare a acestui gen de materiale trebuie respectate cu strictețe.

Păstrarea materialelor

Celula combustibil microbian
Pentru imagine, multumim Dean Madden

Soluția de hexacianoferat de potasiu (III) este sensibilă la lumină și de aceea trebuie păstrată într-o sticlă de culoare închisă și care nu permite trecerea luminii sau într-o sticlă învelită în folie de aluminiu. Această soluție nu trebuie păstrată pentru mai mult de șase luni.

Dacă doriți, puteți păstra membranele de schimb cationic într-o sticlă de apă distilată astfel încât să le aveți gata de utilizat în viitor. În cazul în care membrana este păstrată pentru o perioadă îndelungată de timp apa distilată trebuie înlocuită din când în când.

Drojdia uscată, chiar păstrată într-un container sigilat, are un timp limitat de viață. De aceea trebuie reținută informația producătorului referitor la ”a se consuma înainte de….”

Mulțumiri

Celula combustibil microbian a fost realizată de dr. Peter Bennetto, la început pentru utilizarea la Departamentul de Chimie al King’s College, Marea Britanie. Acest dispozitiv a fost adaptat pentru utilizarea sa în școli de către John Schollar și Dean Madden.

Referințe in web

w1 – Pentru a afla mai multe despre Centrul Național de Educație Biotehnologică (NCBE) și despre alte tipuri de celule combustibil vizitați: www.ncbe.reading.ac.uk

w2 – Pentru a contacta VWR, producătorul membranei de schimb cationic, vizitați: www.vwr.com

Informatii adiționale

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. Acest articol poate fi încărcat de pe site-ul NCBE: www.ncbe.reading.ac.uk sau aici: 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

Pentru o listă completă a activităților de învățare publicate în Science in School vezi: www.scienceinschool.org/teaching

Dr. Dean Madden este biolog și lucrează la Centrul Național de Educație Biotehenologică (NCBE)^w1 la Universitatea Reading, Marea Britanie. NCBE a fost înființat în anul 1984 și de atunci și-a câștigat o reputație internațională în dezvoltarea de resurse educaționale inovative. Materialele educaționale realizate în cadrul acestui centru au fost traduse în multe limbi străine incluzând Germana, Suedeza, Franceza, Olandeza și Daneza.

Recenzie

Acest articol descrie o activitate practică de laborator care demonstrează lanțul de transport electronic. Această activitate practică este deosebit de relevantă pentru lecțiile de biologie având ca subiect respirația microbiană. Este evidentă utilizarea acestei activități practice și ca o extindere la exercițiile legate de fermentație.

Activitatea practică poate fi utilizată interdisciplinar la interfața dintre biotehnologie și fizică demonstrând utilizarea microorganismelor în producerea energiei. De asemenea, poate fi utilizată corelat cu producerea de bioetanol, ca un exemplu de modalitate biotehnologică de a produce energie.

Niels Bonderup Dohn, Danemarca