Проточний мікробний паливний елемент з мобільними електродними блоками

Проточный микробный топливный элемент с мобильными электродными блоками

Ключеві слова
Раціональне природокористування Технології використання нових видів палива, відновлювальних та альтернативних джерел енергії Біотехнол

Опис
Мікробний паливний елемент – біоелектрохімічний пристрій, в якому реалізується перетворення енергії хімічних зв’язків в електричну енергію за допомогою бактерій та їхніх ферментних систем. При цьому джерелом енергії хімічних зв’язків можуть слугувати як прості однокомпонентні субстрати (ацетат, глюкоза), так і комплексні багатокомпонентні суміші (стічні води, відходи тощо). Принцип роботи пристрою базується на природній здатності бактерій за анаеробних умов споживати субстрат і передавати електрони, утворені в процесі метаболізму на нерозчинний термінальний акцептор – колектор струму (анод). За рахунок різниці потенціалів між анодом і катодом утворюється направлений потік електронів (струм). На катоді електрони взаємодіють з киснем повітря та протонами, що дифундували через протонселективну мембрану, з утворенням молекули води. Таким чином, процес є безвідходним і робить можливим використання стічних вод та вторинної сировини для виробництва енергії.

Новизна інновації:
Проточний мікробний паливний елемент із мобільними електродними блоками складається з анодного напівелемента, який містить біосумісний матеріал, катодного напівелемента та протонпроникної мембрани, яка розділяє напівелементи, і провідника першого роду, який з’єднує анод і катод через навантаження, який відрізняється тим, що анодний матеріал організований у замінні блоки спеціальної конструкції, а також пристрій додатково містить полімерні фільтри та в анодному напівелементі виконано 2 отвори у напрямку руху субстрату. Це, поліпшує експлуатаційні характеристики пристрою, дозволяє зменшити омічні та дифузійні втрати в порівнянні з існуючими аналогами на 12-15% в залежності від конструкції.
Крім того, пристрій оснащений полімерними фільтрами для захисту протонпроникної мембрани від небажаної іммобілізації мікроорганізмів, що продовжує тривалість експлуатації мембрани та зменшує собівартість пристрою.
У проточному мікробному паливному елементі із замінними електродними блоками на 60-90% скорочено тривалість пускового періоду та покращено експлуатаційні характеристики в умовах залпових скидів та нерівномірної подачі субстрату, оскільки, за рахунок можливості заміни електродних блоків відновлення роботи установки відбувається протягом 5-7 діб, тоді як, в разі загибелі мікроорганізмів при залпових скидах, повне відновлення електроактивної біоплівки на електродах прототипу триватиме понад два місяці. Крім того, пристрій може слугувати біоректором-інокулятором для нарощування біомаси асоціації електроактивних мікроорганізмів-деструкторів.

Опис проблеми:
Розвиток нетрадиційних і відновлювальних джерел енергії є одним з головних науково-технічних завдань сьогодення. Так, згідно оновлення Енергетичної стратегії України, у 2030 р. понад 10% від загальної встановленої потужності припадатиме на відновлювальну енергетику. Виробництво електричної енергії за допомогою мікроорганізмів у біопаливних елементах є новим трендом не лише в Україні, а й у світі, який утворився в результаті синтезу досягнень біотехнології та технічної електрохімії. Розробка технології біоелектрохімічного генерування електричної енергії, дозволить використовувати механізми біоелектрохімічного перетворення речовини та енергії мікроорганізмів, реалізувати спосіб альтернативного безвідходного отримання електричної енергії, розширити сировинну базу відновлювальних й економічно вигідних джерел енергії (стічні води, відходи виробництва та сільського господарства).
Інновація є способом біоелектрохімічного отримання електричної енергії за допомогою мікроорганізмів з ціллю інтегрування в очисні споруди та використання при переробці відходів.

Стадія розробки:
Прототип з успішними лабораторними випробуваннями

Потенційні споживачі, ринки:
Відновлювальна енергетика, підприємства харчової промисловості, міські очисні споруди, сільське господарство.