:
با پشت سر گذاشتن عصر صنعتی و ورود به عصر اطلاعات، استفاده بی رویه بشر از منابع سوخت های فسیلی و تجدید ناپذیر در توسعه و پیشرفت صنعت طی دهه های اخیر، زندگی انسان های امروزی را با تهدیدات جدی زیست محیطی مواجه ساخته است به طوریکه تغییرات اقلیمی نه به عنوان یک چالش منطقه ای بلکه به عنوان یک مسئله جهانی مطرح است. تشکیل مجماع، کُمیسیون ها و تشکل های جهانی و تصویب قوانین، کنوانسیون ها و پروتوکل های مختلف در سطح جهانی مثل پیمان کیوتو و کنوانسیون بازل و همچنین تعریف پروژه هایی مثل پروژه های مکانیسم توسعه پاک (CDM) همگی گواه بر اهمیت این موضوع می باشند. علاوه بر این، خبر رو به پایان بودن منابع نفتی دنیا تا 30 الی 40 سال آینده، کشورهای مختلف را بر این داشته است که به طور جدی به دنبال منابع تجدید پذیر و جایگزین باشند تا بتوانند امنیت انرژی خود را در آینده تامین نمایند.
پیل های سوختی میکروبیولوژیکی (MFC) به عنوان یکی پتانسیل های مهم در تامین انرژی پاک و تجدید پذیر آینده مطرح می باشند. MFC ها علاوه بر تامین انرژی از نوع الکتریکی که در میان سایر انواع انرژی ها، پرکاربرد ترین و انعطاف پذیر ترین می باشد، نه تنها کوچکترین آلودگی برای محیط زیست ایجاد نمی کنند بلکه در تصفیه و از بین بردن آلودگی های زیست محیطی از قبیل فاضلاب شهری و شیرابه حاصل از پسماندهای جامد شهری تاثیر بسزایی دارند.
در حال حاضر، تکنولوژی MFC ها به دلیل راندمان پایین هنوز به تولید تجاری و انبوه نرسیده است. با تجاری شدن این صنعت، موضوع فاضلاب شهری نه تنها به عنوان یک مشکل بلکه به عنوان یک منبع تامین انرژی پاک مطرح خواهد بود به این دلیل که فاضلاب شهری منبع غنی میکروارگانیسم های مورد استفاده در پیل های سوختی میکروبیولوژیکی می باشد.
مدلسازی ریاضی پیل های سوختی میکروبی این امکان را فراهم می سازد که محققین با تغییر پارامترهای تاثیرگذار بر راندمان پیل های سوختی میکروبیولوژیکی و بدون انجام آزمایشات متعدد و زمان بر بتوانند تغییرات حاصل در توان تولید شده را پیش بینی نموده و به اصلاح طرح خود بپردازند. در این تحقیق سعی شده است مدلی مناسب برای پیش بینی چنین تغییراتی ارائه شود.
فصل اول: درآمدی بر پیل سوختی میکروبیولوژیکی
1-1- مفاهیم
پیل سوختی میکروبی به راکتوری اطلاق می شود که انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنش های کاتالیستی میکروارگانیسم ها و تحت شرایط بی هوازی به انرژی الکتریکی تبدیل کند. سالهاست که دانشمندان به این موضوع پی برده اند که می توان مستقیما” و با استفاده از باکتری ها، مواد آلی را تجزیه کرد و الکتریسیته تولید نمود. در تصفیه فاضلاب نیز می توان از MFC ها برای تجزیه مواد آلی استفاده نمود. علاوه براین، طی مقالاتی سعی شده که از MFC ها به عنوان سنسورهای بیولوژیکی از قبیل سنسورهای نمایشگر BOD استفاده شود. توان خروجی و بازدهی کلمب در MFC ها تحت تاثیر عواملی نظیر: نوع میکروبهای موجود در سلول آند، پیکربندی MFC و شرایط عملیاتی می باشد. در حال حاضر کاربرد های عملی MFC ها محدود می باشد زیرا میزان توان خروجی آنها پایین و در حد چند هزار میلی وات بر مترمربع (mW/m2) می باشد. دانشمندان در تلاشند تا عملکرد MFC ها را بهبود بخشیده و هزینه های ساخت و عملیاتی آنها را کاهش دهند. مقاله حاضر در تلاش است تا مروری کلی بر پیشرفت های اخیر در مطالعه و پیشبرد MFC ها داشته و

 بیشتر، پیکربندی و بازدهی MFC ها تشریح شده است.

افزایش روزافزون استفاده بی رویه از سوخت های فسیلی، جهان را با بحران انرژی ماجه ساخته است. انرژی تجدیدپذیر بیولوژیکی یکی از گزینه های مناسب برای جبران بخشی لز نیاز جوامع بشری به انرژی می باشد. اخیرا”، مطالعات زیادی برای توسعه روش های مختلف تولید انرژی انجام می گردد. در این میان، تولید الکتریسیته از منابع تجدیدپذیر که دی اکسیدکربن به محیط انتشار نمی کند بیش از هر روش دیگری مورد توجه است (Lovley، 2006، Davis و Hingson، 2007). اخیرا”، تکنولوژی پیل های سوختی میکروبی، MFCها، که انرژی ذخیره شده در پیوندهای ترکیبات آلی را از طریق واکنشهای کاتالیستی توسط میکروارگانیسم ها به انرژی الکتریکی تبدیل می کند مورد توجه ویژه ای واقع شده است (Allen و Bennetto، 1993؛ Gil و همکارانش، 2003؛ Moon و همکارانش، 2006؛ Choi و همکارانش، 2003).
باکتری های مورد استفاده در MFC ها قادر به تولید الکتریسیته می باشند و این در حالیست که همزمان، پساب و مواد آلی را به روش های بیولوژیکی تجزیه می کنند (Park و Zeikus، 2000؛ Oh و logan، 2005). شکل 1-1 نمای شماتیک یک MFC را نمایش می دهد که به منظور تولید الکتریسیته به کار برده شده است.
همانطوریکه از شکل پیداست، یک MFC شامل سلول های آند و کاتد می باشد که توسط یک غشای تبادل پروتون (PEM) از هم جدا شده اند (Wilkinson،2000؛ Gil و همکارانش، 2003).
میکروب های موجود در سلول آند، مواد آلی درون سلول آند را اکسید می کنند. طی این فرآیند، الکترون و پروتون تولید می گردد. دی اکسید کربن نیز به عنوان یک محصول حاصل از اکسایش تولید می گردد. اما، در کل، در این فرآیند هیچ دی اکسید کربنی آزاد نمی شود. جرا که دی اکسید کربن موجود در توده بیولوژیکی، در اصل طی فرآیند فتوسنتز، از هوای محیط وارد شده است. برخلاف فرآیند احتراق مستقیم، الکترون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها توسط آند جذب شده و از طریق یک مدار خارجی به کاتد منتقل می شوند. پروتون ها با عبور از غشای تبادل پروتون، PEM، یا یک پل نمکی، وارد سلول کاتد شده و با اکسیژن موجود در سلول کاتد واکنش داده و آب تولید می شود. میکروب های موجود در سلول آند، الکترون ها و پروتون ها را با اکسید کردن مواد آلی و طی فرآیندهایی مجزا و نامشابه، از مواد آلی درون سلول آند استخراج می کنند (Rabaey و Verstraete، 2005). تولید جریان الکتریسیته تنها زمانی مقدور می باشد که میکروب ها از اکسیژن یا هر ماده الکترون گیرنده دیگری غیر از آنچه که در سلول آند موجود است، جدا نگهداشته شده باشند که این خود گویای ایجاد شرایط بی هوازی برای محفظه آند می باشد.
طی سالهای اخیر، پیشرفت هاای سریع و چشمگیری در زمینه تحقیق و پژوهش MFC ها صورت گرفته است و تعداد مقالات و ژورنال های مربوط به تکنولوژی MFC ها طی سه سال اخیر و با پیوستن محققان بیشتر به جمع پژوهشگران MFC به طور چشمگیری افزایش یافته است. تعداد زیادی مقاله در زمینه بررسی MFC ها موجود می باشد که هر کدام بر بخشهای متفاوتی از MFC ها متمرکز بوده اند. Logan و همکارانش (2006) طرح MFC ها، خصوصیات و عملکرد MFC ها را بررسی کردند. بررسی متابولیسم در MFC ها توسط Rabaey و Verstraete (2005) انجام شد. Lovley (2006) عمدتا” به بررسی سیستم های BUG ( Benthic Unattended Generators) برای تامین توان تجهیزات سنسور-از-راه دور یا ابزارهای نمایشگرف از بُعد فیزیولوژی میکروبی پرداخت. Pham و همکارانش (2006) مزایا و معایب MFC ها را در مقایسه با تکنولوژی هضم غیرهوازی برای تولید بیوگاز به عنوان انرژی تجدیدپذیر گردآوری نمود. Chang و همکارانش (2006) به بحث در زمینه باکتری های فعال از بعد الکتروشیمی که در MFC های بدون واسط استفاده می شوند و نیز عوامل محدود کننده سرعت انتقال الکترون پرداخت. Bullen و همکارانش (2006) نتایج تجربی زیادی که اخیرا” در مورد MFC ها گزارش شده بود را جمع بندی کرد.
2-1- مروری بر واسط های حمل الکترون در MFC ها
کاهیده شدن موثر واسط، تحت تاثیر قدرت کاهندگی سلولها اهمیت بیشتری در مقایسه با سایر مزیت ها دارد. با وجود اینکه واسطی که کمترین توان کاهندگی را دارد از نظر تئوری کمترین کاهش آندی را نتیجه می دهد که حاصل آن بیشینه شدن اختلاف قدرت کاهندگی آند و کاتد می باشد ( که بیشترین اختلاف ولتاژ جاصل می گردد) لزوما” موثرترین عامل در جدا کردن الکترون ها از سیستم کاهنده بین سلولی (NADH، NADPH و یا سیتوکرومهای کاهیده شده) درون میکروب ها نمی باشد. یک واسط با E0 کاهنده بیشتر، توان کل تولیدی بیشتری نسبت به یک واسط با کمترین قدرت کاهش خواهد داشت (Ieropoulos و همکارانش، a2005). واسط های سنتز شده برون سلولی شامل رنگها و ارگانیک های فلزی مانند قرمز خنثی (NR)، آبی متیلن (MB)، تیونین (thionine)، آبی ملودا (MelB)، 2-هیدروکسی 1و4-نفتوکونیون (HNQ) و Fe(III)EDTA می باشد (Park و Zeikus، 2000؛ Tokuji و Kenji، 2003؛ Veg و Fernandez، 1987؛ Allen و Bennetto، 1993؛ Ieropoulos و همکارانش a2005). متاسفانه  سمی بودن و ناپایداری واسط های سنتز شده، کاربرد آنها را در MFC ها محدود می کند. برخی از میکروبها می توانند از ترکیباتی که به طور طبیعی شکل می گیرند و شامل متابولیت های میکروبی (Endogenous mediators) می باشد به عنوان واسط استفاده نمایند. اسیدهای هیومیک (Humic Acids)، آنتراکوینون (Anthraquinone)، اکسیانیون های سولفور (Oxyanions of Sulphur) (سولفات و تیوسولفات) همگی توانایی انتقال الکترون از درون غشاء سلول به آند را دارند (Lovley، 1993). چندی پیش میکروب هایی یافت شدند که مستقیما” الکترونها را به آند منتقل می کنند (Kim و همکارانش، a1999؛ Chaudhuri و Lovley، 2003). این میکروب ها از نظر شرایط عملیاتی پایدار بوده و بازدهی کلمب ( columbic efficiency) ایجاد می کنند (Chaudhuri و Lovley، 2003؛ Scholz و Schroder، 2003). Shewanella putrefaciens (Kim و همکارانش، 2002)، Geobacteracea Sulferreducens (Bond و Lovley، 2003)، Geobacter metallireducens (Min و همکارانش a2005)، Rhodoferax ferrireducens (Chaudhuri و Lovley، 2003) همگی از نظر بیوشیمیایی فعال بوده و می توانند روی سطح آند بیوفیلم (biofilm) تشکیل داده و الکترونها را مستقیما” از طریق رسانایی الکتریکی از درون غشاء انتقال دهند. هرگاه از آنها در انتقال الکترون استفاده شود، آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده در زنجیره انتقال الکترون در بیوفیلم خواهد بود. بیوفیلم هایی که روی سطح کاتد شکل می گیرند نیز می توانند نقش موثری در انتقال الکترون ها بین میکروبها و الکترودها ایفا کنند. کاتد نیز می تواند نقش الکترون دهنده به Thiobacillus ferrooxidans ها را داشته باشد که در یک کاتالیت به شکل سوسپانسیون حضور دارند (Prasad و همکارانش، 2006). مورد مذکور در یک سیستم MFC وجود خواهد داشت که در هر دو محفظه کاتد و آند حاوی میکروب باشد.
G.metallireducens، G.sulfurreducens (Gregory و همکارانش، 2004) و یا سایر بیوفیلم های دریایی (Bergel و همکارانش، 2005) می توانند آخرین الکترون گیرنده هایی باشند که  الکترون ها را از کاتد، که نقش الکترون دهنده را دارد، بگیرند. MFC های بدون واسط (mediator-less MFCs) در تصفیه فاضلاب و تولید توان بسیار مناسب می باشند چرا که در این MFC ها هزینه واسط حذف شده است (Ieropoulos و همکارانش، a2005).
3-1- میکروب هایی که در پیل های سوختی میکروبی کاربرد دارند
خیلی از میکرو ارگانیسم ها توانایی انتقال الکترون های حاصل از متابولیسم مواد آلی به آند را دارند. یک لیست از این دسته از میکروب ها و سوبسترا (substrate) مربوطه در جدول 1-1 آمده است.
رسوبات دریایی، خاک، فاضلاب، رسوب موجود در آب تازه و لجن فعال همگی منابع غنی از این میکروارگانیسم ها می باشند (Niessen و همکارانش، 2006؛ Zhang و همکارانش، 2006). تعدادی از مقالاتی که اخیرا” منتشر شده اند به بحث در مورد چگونگی جداسازی و شناسایی میکروبها و نحوه شکل دهی مجموعه ای از کروموزوم ها برای میکروارگانیسم هایی که قادر به تولید الکتریسیته از تجزیه مواد آلی می باشند پرداخته اند (Logan و همکارانش، 2005؛ Holmes و همکارانش، 2004؛ Back وهمکارانش، 2004). مکانیسم انتقال الکترون در محفظه آند یک عامل کلیدی در درک تئوری چگونگی عملکرد MFC ها می باشد. همانطور که در بالا ذکر شد میکروبها الکترون ها را از طریق یک سیستم انتقال الکترون به آند منتقل می کنند که خود شامل یک سری از ترکیبات در ماتریس باکتریایی برون سلولی بوده و یا همراه شاتل های الکترون (Electron shuttles) می باشد که در محلول حل شده اند. Geobacter به گروه میکروارگانیسم های کاهنده فلزی تعلق دارد که انرژی به شکل ATP تولید می کند که از نظر بیولوژیکی مفید بوده و طی کاهش اکسیدهای فلزی تحت شرایط غیرهوازی در خاک و رسوبات حاصل می شود. الکترونها به الکترون گیرنده نهایی مانند Fe2O3 منتقل می شوند که عمدتا” از طریق تماس مستقیم اکسیدهای معدنی و میکروارگانیسم های کاهنده فلز صورت می گیرد (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998). واکنش آندی در یک MFC بدون واسط که از یک باکتری کاهنده فلزی تشکیل شده و عمدتا” به خانواده های Shewanella، Rhodoferax و Geobacter تعلق دارد مشابه همین فرآیند می باشد. چرا که آند به عنوان آخرین الکترون گیرنده نقش ایفا می کند و این درست مثل اکسیدهای فلزی جامد است. شکل 1-2 ترکیبات شیمیایی را نشان می دهد که در انتقال الکترون از حمل کننده های الکترون (Electron carriers) در ماتریس میان سلولی به الکترون گیرنده نهایی جامد (آند) در میکروارگانیسم های کاهنده آهن درگیر می باشند (Lovley و همکارانش، 2004؛ Vargas و همکارانش، 1998؛ Holmes و همکارانش، 2004).
S.putrefaciens، G.sulferreducens، G.metallireducens و R.ferrireducens با استفاده از این سیستم الکترونها را به الکترود جامد (آند) منتقل می کنند. با وجود اینکه اغلب MFC های بدون واسط واقعی با میکروارگانیسم های کاهنده فلزی عمل می کنند اما یک مورد استثنایی با Clostridiumbutyricum (Oh و Logan، 2006؛ Park و همکارانش، 2001) گزارش شد. واسط هایی نظیر مولکول های رنگ و مواد هیومیک (humic substances) نیز بر MFC های بدون واسط تاثیر بسزایی دارند. حتی با وجود اینکه آندوفیل ها (Anodophiles) قادر به انتقال مستقیم الکترون ها به آند خصوصا” در مراحل اولیه تشکیل بیوفیلم می باشند، واسط های الکترون مانند Mn4+ و یا قرمز خنثی (NR) که در ارتباط با آند عمل می کنند با استفاده از آندوفیل S.putrefaciens کارایی MFC ها را به طور قابل ملاحظه ای افزایش می دهند (Park و Zeikus، 2002). واسط ها نقشی مهم برای میکروب هایی که قادر به انتقال الکترون به آند نیستند ایفا می کنند. شکل 1-3 فرآیندهای بنیادی را نشان می دهد (Lovley و همکارانش، 1996؛ Ieropoulos و همکارانش، a2005).