Tradotto da Monica Mauri.
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.
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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.
Occorrente per ogni studente o gruppo di lavoro
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
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Importante: Tutte le soluzioni elencate in seguito devono essere preparate in un tampone fosfato 0.1 M, a pH 7.0, non in acqua.
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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.
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.
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.
microbico ultimata. Cliccare
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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.
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).
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, UKw1.
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 VWRw2.
Motori a basso voltaggio adatti ad essere usati con pile come quelle qui descritte sono costosi e difficili da reperire.
L’esacianoferrato (III) di potassio è velenoso. Si dovrebbero osservare le normative locali all’atto dello smaltimento delle soluzioni utilizzate.
microbico
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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.
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