Mikrobik yakıt hücresi:mayadan elektrik üretimi Teach article

Tercüme eden: Tuğçe Kaymaz, Hikmet Geçkil (İnönü Üniversitesi, Moleküler Biyoloji ve Genetik Bölümü). Hepimizin de bildiği gibi bira ve ekmek yapımında maya kullanılır. Peki ya elektrik? National Centre for Biotechnology Education, Reading Üniversitesi, Birleşik Krallık’dan…

Krokodil pensi
Resim Jobalou / iStockphoto
izniyle

Giriş

Elektrik üreten mikroplar onlarca yıldır biyolojik bir meraktı. Oysa şimdi araştırmacılar onların kol saatleri ve kameralarda güç kaynağı olarak kullanımını ve organik atıktan elektrik üreten biyoreaktörleri öngörüyorlar. Burada anlatılan mikrobik yakıt hücresi mayanın elektron taşıma zincirinden elektronları dağıtarak elektrik akımı üretiyor. Elektronları toplamak ve onları dış devreye aktarmak için bir aracı kullanıyor (bu durumda aracı metilen mavisidir). Bu işlem çok da verimli değildir ve gösterilen bu yakıt hücresi yalnızca çok küçük bir akım üretecektir. Sınıfta bu, solunum çalışmasına ilgi çekici bir giriş sağlayabilir ve mikrobik solunumu etkileyen bazı faktörlerin çalışılmasına olanak verebilir. Son zamanlarda -mikroorganizmaların elektronları direkt olarak yakıt hücresi elektrotlarına verdiği aracısı olmayan yakıt hücreleri geliştirildi.

Araç gereçler

Her öğrenci ya da çalışma grubu için

Araçlar

Elektrotların yapımında
kullanılan karbon fiber
taneciğe sahiptir. Elektrotun
uzun kuyruğunun
kopmayacağından ve yakıt
hücresi içindeki boşluğa
kolaylıkla uyacağından emin
olamak için elektrotun
burada gösterildiği gibi
kesilip katlanması gerekir.
Gösterildiği gibi üst parçanın
yaklaşık olarak yarısı
kesilmiş, daha sonra ikiye
katlanmış. Ardından elektrot
üzerinde kuyruk oluşturmak
için tekrar ikiye katlanmış.
Büyütmek için resmin üzerini
tıklayınız

Resim Dean Madden izniyle
  • 4 mm kalındığındaki Perspeks tabakasından kesilen Perspeks yakıt hücresi
  • 2 neopren contası
  • Yakıt hücresinin bölmelerine uygun kesilmiş katyon değişim zarı. Zar tekrar tekrar kullanılabilir fakat otoklav yapılırsa eriyecektir.
  • Sıvıları uymak için 2 x 10 ml plastic şırınga
  • Yakıt hücresini bekletmek için petri kabı tabanı ya da kapağı
  • Krokodil pensleri ile elektrik kabloları
  • 0-5 V voltmeter ya da multimetre ve/veya düşük akım motoru
  • Makas.

Malzemeler

  • Yakıt hücresine uygun olarak kesilmiş 2 karbon fiber doku elektrotu
  • Yakıt hücresine uygun olarak kesilmiş 2 parça J kumaşı ya da benzeri bir kumaş (bu kumaşın kullanılış amacı basit olarak elektrotların katyon değişim zarına temas etmesini ve hücrenin kısa devre yapmasını önlemektir)

Önemli: Aşağıda sıralanan tüm çözeltiler su yerine pH’si 7 olan 0.1 M fosfat tamponunda hazırlanmalıdır.

  • 0.1 M fosfat tamponunda koyu kıvamda hazırlanan kuru maya (mayayı tamponda rehidrasyona uğratmadan glukoz çözeltisini eklemeyiniz)
  • 5 ml metilen mavisi çözeltisi (10 mM)
  • 5 ml glükoz çözeltisi (1 M)
  • 10 ml potasyum hekzasiyanoferrat (III) çözeltisi (0.02 M) (potasyum ferrisiyanür olarak da adlandırılır).

Yordam

  1. İki karbon fiber elektrotu resimde gösterildiği gibi kesiniz.
  2. Yakıt hücresine uyacak şekilde 2 parça J kumaşı kesiniz.
  3. Yakıt hücresini aşağıda gösterildiği gibi birleştiriniz.
    Birleştirilmiş yakıt hücresini Petri kabı tabanında ya da kapağında hücreden sızabilecek herhangi bir sıvıyı yakalamak için bekletiniz
  4. 5 ml eşit hacimlerdeki maya bulamacı, glükoz ve metilen mavisi çözeltilerini karıştırınız. Bu karışımı, yakıt hücresinin bir bölmesine enjekte ediniz
  5. Potasyum hekzasiyanoferrat (III) çözeltisini de hücrenin diğer bölmesine enjekte ediniz.
  6. Bir voltmeter ya da multimetreyi krokodil pensleri aracılığıyla elektrot kutuplarına bağlayınız. Akım hemen üretilmelidir. Sayaç sıfırı gösterirse bağlantıları control ediniz ve karbon fiber elektrotların katyon değişim zarına temas etmediğinden emin olunuz.

 

Mikrobik yakıt hücresinin birleştirilişi (tam boyutları önemsizdir-burada gösterilen kabaca 55 mm x 55 mm’dir)
Resim Dean Madden izniyle

Karakteristik sonuçlar

Bu tür mikrobik yakıt hücreleri genellikle 0.4-0.6 V ve 3-50 mA üretir. Hücre gerekli çözeltilerle doldurulursa birkaç gün daha elektrik üretecektir.

 

Mikrobik yakıt hücresi nasıl çalışır:
Hücrenin bir bölmesinde maya hücreleri glikoz çözeltisi ile beslenir. Bir aracı olan metilen mavisi maya hücrelerine girer ve mayanın elektron taşıma zincirinden elektronları alır. Elektronlar daha sonra anot elektrotuna geçerler. Elektronlar dış devreye geçerler ve hücrenin ikinci bölmesinde bulunan potasyum hekzasiyanoferrat (III) tarafından alınırlar. Hidrojen iyonları iki bölmeyi ayıran katyon değişim zarından geçerler.
Bu tür mikrobik yakıt hücreleri genellikle 0.4-0.6 V ve 3-50 mA üretir. Bu çok düşük akımlı bir motoru çalıştırmak için yeterlidir. Bu gibi birkaç hücre seri olarak bağlanırsa ışık yayan diyotu(LED) yakmak mümkün olur

Resim Dean Madden izniyle

Güvenlik

Potasyum hekzasiyanoferrat (III) zehirlidir. Bu madde kullanıldığı zaman gözlük takılmalıdır. Çözelti gözlerle temas ederse bol su ile yıkayınız ve tıbbi yardım isteyiniz. Yutulduğunda ise bol miktarda su içiniz ve tıbbi yardım isteyiniz. Cilde temas ettiğinde ise çözelti acilen suyla yıkanıp temizlenmelidir. Kullanılan çözeltinin imha edilmesinde yerel düzenlemeler izlenmelidir.

Yapılışı

pH’si 7 olan 0.1 M fosfat tamponu hazırlamak için 4.08 g Na2HPO4 ve 3.29 g NaH2PO4’ü 500 ml saf suda çözünüz..

Hazırlık ve zamanlama

Tamamlanmış mikrobik yakıt
hücresi. Büyütmek için
resmin üzerini tıklayınız

Resim Dean Madden izniyle

İndikatör çözeltiler önceden hazırlanabilirler. Fakat glükoz çözeltisinin çalışma yapılmadan önce en erken 24 saat içinde hazırlanması gerektiğini unutmayınız. Çözelti steril olmadığında kontamine edici mikroorganizmaların gelişimini destekleyecektir.

Saf sudaki katyon değişim zarını kullanımdan 24 saat önce ıslatınız.

Önce kurutulmuş mayayı tampon çözeltiye, daha sonra glükoz çözeltisini maya bulamacına eklemek önemli olmasına rağmen; kurutulmuş maya yakıt hücresi birleştirildiğinde de rehidrasyona uğratılabilir. Mayayı direkt olarak glükoz çözeltisinde rehidrasyona uğratmaya çalışırsanız ozmotik etkiler işlemi geciktirecektir (yaş maya kullanıyorsanız glükoz çözeltisini eklemeden önce basitçe bunu tamponla koyu bulamaç haline getiriniz).

Yakıt hücresinin birleştirilmesinden elektrik üretimine kadar geçen süre yaklaşık 30 dakikadır.

Açık uçlu araştırmaların kapsamı

Birkaç yakıt hücresi büyük gerilim oluşturmak için birbirine seri bağlanabilir, fakat üretilen akım değişmeyecektir. Aksine hücre boyutunun ya da elektrot yüzeyinin artışı üretilen akımı artıracak, voltajı ise değiştirmeyecektir.

Şarap üreticileri ve fırıncıların kullandığı mayada olduğu gibi farklı aracılar ya da farklı çeşit mayalar kullanılabilir. Güvenlik nedeniyle bu yakıt hücresinin diğer mikroorganizmalarla kullanımının tavsiye edilmediğini unutmayınız.

Sıcaklığın yakıt hücresinin çalışması üzerindeki etkisini araştırınız (bu tür karşılaştırmaları yaparken ne gibi kontrollerin gerektiğini düşünmeyi unutmayınız).

Tedarikçiler

Okul araştırmaları için uygun olan mikrobik yakıt hücreleri burada da anlatıldığı gibi National Centre for Biotechnology Education (NCBE), Reading Üniversitesi, Birleşik Krallıkw1’dan edinilebilirler.

Bu makaledeki yönergeleri izleyerek kendi yakıt hücrelerini yapmayı tercih edenler için katyon değişim zarı ve karbon fiber elektrotlar NCBE’den sağlanabilir. Katyon değişim zarı ayrıca VWw2’den satın alınabilir..

Burada anlatılan örnekte olduğu gibi yakıt hücresiyle kullanıma uygun olan düşük akım motorları pahalıdır ve bulunması zordur.

Atıkların ortadan kaldırılması ve maddelerin geri dönüşümü

Potasyum hekzasiyanoferrat (III) çözeltisi zehirlidir. Kullanılan maddenin imha edilmesinde yerel düzenlemeler takip edilmelidir.

Maddelerin muhafaza edilmesi

Mikrobik yakıt hücresi
Resim Dean Madden izniyle

Potasyum hekzasiyanoferrat (III) çözeltisi ışığa duyarlıdır bu yüzden ışığı geçirmeyen koyu renkli ya da aluminium folyo ile sarılmış bir şişede saklanmalıdır. Altı aydan fazla muhafaza edilmemelidir.

Katyon değişim zarını saf su bulunan bir şişede saklamak isteyebilirsin. Böylece kullanıma hazır olacaktır. Zarı uzun süre saklamak için suyun zaman zaman değiştirilmesi gerekir.

Kuru maya kapalı bir kapta olsa bile belirli bir raf ömrüne sahiptir. Tedarikçinin son kullanma tarihi bu yüzden incelenmelidir.

Teşekkürler

Mikrobik yakıt hücresi eski Kimya Bölümü, King Koleji, Londra, Birleşik Krallık’dan Dr. Peter Bennetto tarafından geliştirildi. John Schollar ve Dean Madden tarafından okullar için uyarlandı.

Download

Download this article as a PDF

Web References

  • w1 – National Centre for Biotechnology Education (NCBE) hakkında daha fazlasını öğrenmek ve yakıt hücrelerini sipariş etmek için, bakınız: www.ncbe.reading.ac.uk
  • w2 – Katyon değişim zarının tedarikçisi olan VWR ile temasa geçmek için, bakınız: www.vwr.com

Resources

  • 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. Bu makale NCBE websitesinden indirilebilir: www.ncbe.reading.ac.uk ya da : 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

Author(s)

Dr Dean Madden National Centre for Biotechnology Education (NCBE)w1, Reading Üniversitesi, Birleşik Krallık’da çalışan bir biyologdur. NCBE 1984’te kuruldu ve yenilikçi eğitim kaynaklarının geliştirilmesinde uluslararası bir ün kazandı. Materyalleri Almanca, İsveççe, Fransızca, Hollandaca ve Danimarka dilini de kapsayan birçok dile tercüme edildi.


Review

Bu makale elektron taşıma zincirini gösteren bir laboratuar pratiğini anlatmaktadır. Bu pratik, mikrobik solunum hakkındaki biyoloji dersleri için oldukça uygundur. Bu pratiği fermantasyon alıştırmalarının bir uzantısı olarak kullanmak oldukça kolaydır.

Enerji üretimi için mikroorganizmaların kullanımını gösteren bu pratik, biyoteknoloji ve fiziğin arayüzünde disiplinler arası olarak kullanılabilir. Ayrıca enerji üretiminin alternatif biyoteknolojik yoluna bir örnek olarak biyoetanolün üretimiyle de ilgili ilişkilidir.


Niels Bonderup Dohn, Danimarka




License

CC-BY-NC-SA