Tài liệu: Tế bào năng lượng vi sinh vật

Mỹ mỗi năm trung bình 33 tỷ gallon nước thải sinh hoạt phải xử lý sơ bộ trước khi đổ ra sông. Nếu chỉ tính riêng tiền điện thì mỗi năm Mỹ phải chi 25 tỷ USD cho quá trình vận hành hệ thống xử lý. Đó là chưa kể đến một lượng lớn hóa chất tiêu tốn và mới chỉ tính riêng Mỹ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tài liệu: Tế bào năng lượng vi sinh vậtTế bào năng lượng vi sinh vậtMỹ mỗi năm trung bình 33 tỷ gallon nước thảisinh hoạt phải xử lý sơ bộ trước khi đổ ra sông.Nếu chỉ tính riêng tiền điện thì mỗi năm Mỹ phảichi 25 tỷ USD cho quá trình vận hành hệ thống xửlý. Đó là chưa kể đến một lượng lớn hóa chất tiêutốn và mới chỉ tính riêng Mỹ... Cả thế giới vừaphải đối phó với nguy cơ thiếu nước sạch, vừaphải giải quyết tình trạng lượng chất thải ngàymột nhiều do sức ép dân số.Câu trả lời của những vấn đề hóc búatrên là một công nghệ đã từng ra đờivào năm 1962, 1963 (Sisler,Konikoff, Reynold, Harris) nhưng bịngủ quên cho đến những năm gần Geobacter spđây, khi nhu cầu năng lượng trở nênbức thiết hơn bao giờ hết.Ứng dụng tế bào năng lượng vi sinh vật xử lý chấtthải - Một chuyện công đôiQuá trình phân rã các hợp chất hữu cơ trong tế bàovi sinh vật luôn đi kèm với sự phóng thích năng lượngđiện tử. M.C.Porter (1911)Từ năm 1911 Porter đã khẳng định dòng electronluôn tồn tại với quá trình chuyển hóa trong cơ thểsinh vật sống, là nền tảng để 50 năm sau Sisler làngười đầu tiên phát hiện ra có sự xuất hiện dòng điệnkhi cho vi sinh vật phát triển trên anode graphite. Lúcđó, do dòng điện thu được là quá nhỏ đồng thời cácnhà tiên phong sử dụng dòng vào (input fuel) là môitrường nuôi cấy, khiến cho dòng điện này trở nên đắtvà khó ứng dụng. Đó chính là lý do mà phát hiện lýthú này sớm chìm vào quên lãng và các cơ chế phóngthích electron của vi sinh vật vào anode cũng chưathể giải thích dù con người đã thuộc nằm lòng cácchuỗi chuyển hóa trong tế bào... Chỉ trong nhữngnăm gần đây, khi tình hình nhiên liệu hóa thạch bắtđầu nóng, người ta lại nhận thấy sự bất tận củanguồn điện vi sinh vật và tính thực tiễn của nó, nhiềunhà khoa học bắt đầu tập trung nghiên cứu, chiếmlĩnh nguồn năng lượng đã từng ngủ quên này.Một nguyên tắc số chính:Nguyên tắc chính của tế bào năng lượng vi sinh vật(microbial fuel cells) là dòng electron được chuyểngián tiếp thông qua sự tương tác giữa sản phẩm khửvới điện cực dương. Sự tách biệt về mặt không giancủa phản ứng nhận electron cuối tạo ra chênh lệch vềsuất điện động và xuất hiện dòng electron chạy quakhi ta dùng dây dẫn nối 2 điện cực lại.Có 3 loại tế bào năng lượng vi sinh vật chính:+ Loại A: Các chất dẫn electron trung gian có sẵntrong môi trường.+ Loại B: Các loại vi sinh vật có hệ protein màng đặcbiệt, có khả năng chuyển electron trực tiếp lên điệncực.+ Loại C: Điện cực bị vi sinh vật oxy hóa để tạo ranguồn electron.Một tiêu biểu: số hệ thống+ Hệ thống của Peter Benetto (London) sử dụng hệenzyme biến đổi cơ chất ngoại bào ở nấm men: khócó khả năng ứng dụng quy mô lớn vì cơ chất bắt buộclà Methylene blue.+ Năm 2004, trường đại học Pennsynvania chế tạothành công hệ thống thu năng lượng từ vi khuẩn vớicấu trúc theo kiểu bioreactor với 1 khoang duynhất,dòng nhiên liệu vào được nhập liên tục. Theo cảitiến này, nếu sử dụng dòng vào là nước thải thì ngoàiđiện năng thu được, nồng độ chất hữu cơ hòa tangiảm đáng kể. Chỉ tiêu DO của nước luôn ổn định dokhông khí được khuếch tán liên tục, cung cấp Oxycho phản ứng tại Catot. proton + oxy --> nước.Bruce Logan, cha đẻ của mẫu thiết kế trên cho biếtkhó khăn hiện tại trong việc ứng dụng tế bào nănglượng vi sinh vật là nguồn năng lượng tạo ra còn quánhỏ, đồng thời không thể dùng Platinium làm điệncực cho các hệ thống lớn. Tuy nhiên theo nhận địnhcủa ông, tế bào năng lượng vi sinh vật vẫn là xu thếcủa tương lai với giá thành rẻ tương đương với liệu thực vật trong xử lý nước thải.pháp+ Hệ thống sử dụng khả năng truyền electron trựctiếp vào điện cực của vi khuẩn nhóm Geobacteraceaecủa NASA với hiệu điện thế thực là 0.5 Volt, nhờ hệthống khuyếch đại đi kèm, nhóm nghiên cứu của tiếnsĩ Bruce Brittmann tăng hiệu điện thế này lên được 2Volt. Hiện NASA đã ứng dụng hệ thống này để giảiquyết vấn đề chất thải sinh hoạt của các phi hànhđoàn .Khám phá về quá trình chuyển điện tử lên điệncực:Để giải thích về khả năng phóng điện cũng như hiệusuất phóng điện khác nhau giữa các loài vi sinh vật,người ta đã đưa ra nhiều giả thuyết khác nhau nhưdiện tích tiếp xúc quá nhỏ giữa ETP (electrontransport protein) và điện cực, hay nhiều loài vikhuẩn (như E. coli, Pseudomonas, Proteus,Bacillus...) không có khả năng chuyển electron trong phản ứng nội bàocác ra bên ngoài...Ở những nghiên cứu đầu tiên về tế bào năng lượng visinh vật, người ta giả thuyết ...