نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

2 دانشگاه صنعتی بابل

3 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

پیل سوختی میکروبی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی موجود در مواد آلی و غیرآلی را با به کارگیری میکروارگانیسم به عنوان بیوکاتالیست (Biocatalyst)، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در این تحقیق تولید جریان بیوالکتریسیته در پیل سوختی میکروبی بی‌واسطه مورد ارزیابی قرار گرفته است. جهت ارزیابی عملکرد الکتریکی پیل سوختی ساخته شده از منحنی قطبش استفاده شده است. منبع کربنی به عنوان سوبسترا و پساب بی هوازی فاضلاب شهرک صنعتی بابل به عنوان بیوکاتالیست مورد استفاده قرار گرفت. در انجام آزمایشات از غشای نفیونی (Nafion 117) برای جداسازی محفظه آند و کاتد و انتقال پروتون از آند به سمت کاتد استفاده شد. الکترود های به کار گرفته شده از جنس گرافیت بوده است. بیشینه دانسیته توان و جریان الکتریکی تولیدی در آزمایشات صورت گرفته با غلظت g/l 5/0گلوکز به عنوان منبع کربنی و 10 ٪ فاضلاب به عنوان ماده تلقیحی به ترتیب به ترتیب mW/m2 186 و mA/m2 1078به دست آمده است

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Investigation of bioelectricity production in dual chamber microbial fuel cell by mixed culture as active biocatalyst

نویسندگان [English]

  • sakine Fatemi 1
  • ali Ghoreyshi 2
  • Ghasem Najafpour 2
  • Mostafa Rahimnejad 3

1 Biotechnology Research Lab., Faculty of Chemical Engineering, Noshirvani University, Babol, Iran

2 Biotechnology Research Lab., Faculty of Chemical Engineering, Noshirvani University, Babol, Iran

3 Biotechnology Research Lab., Faculty of Chemical Engineering, Noshirvani University, Babol, Iran

چکیده [English]

Microbial fuel cell (MFC) is an electrochemical device that can directly convert chemical energy of organic and inorganic materials to bioelectricity. The reduction of substances in anode compartment was catalyzed by the living cells in such as microorganisms or enzymes. In this study power generation was studied in mediator-less MFC. The polarity technique was used to characterize the electrical performance of the fabricated MFC. Glucose was used as electron donors and anaerobic effluent of wastewater treatment plant was selected as inoculums. The produced electrons are transported to anode surfaces and protons are moved through proton exchange membrane toward cathode. Nafion 117 was implemented to transfer of produced protons from anode to cathode chamber. The substrate consumption and cell growth was monitored for the incubation period. Maximum generated power and current densities were 186 mW.m-2 and 1078 mA.m-2, respectively. The generated power in the microbial fuel cell was monitored and power production was quite stable for the duration of 100 hours.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bioelectricity
  • Power generation
  • Mediator less microbial fuel cell
  • Active biocatalyst
  • Substrate

بررسی تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی دو محفظه ای با استفاده از فاضلاب به عنوان ماده تلقیحی

سکینه فاطمی، علی اصغر قریشی، قاسم نجف پور و مصطفی رحیم نژاد*

بابل، دانشگاه صنعتی نوشیروانی، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی شیمی 

تاریخ دریافت: 19/4/91               تاریخ پذیرش: 27/10/91

چکیده

پیل سوختی میکروبی دستگاهی الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی موجود در مواد آلی و غیرآلی را با به کارگیری میکروارگانیسم به عنوان بیوکاتالیست (Biocatalyst)، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در این تحقیق تولید جریان بیوالکتریسیته در پیل سوختی میکروبی بی‌واسطه مورد ارزیابی قرار گرفته است. جهت ارزیابی عملکرد الکتریکی پیل سوختی ساخته شده از منحنی قطبش استفاده شده است. منبع کربنی به عنوان سوبسترا و پساب بی هوازی فاضلاب شهرک صنعتی بابل به عنوان بیوکاتالیست مورد استفاده قرار گرفت. در انجام آزمایشات از غشای نفیونی (Nafion 117) برای جداسازی محفظه آند و کاتد و انتقال پروتون از آند به سمت کاتد استفاده شد. الکترودهای به کار گرفته شده از جنس گرافیت بوده است. بیشینه دانسیته توان و جریان الکتریکی تولیدی در آزمایشات صورت گرفته با غلظت g/l  5/0گلوکز به عنوان منبع کربنی و 10 درصد فاضلاب به عنوان ماده تلقیحی به ترتیب mW/m2   186 و mA/m2   1078به دست آمده است.

واژه های کلیدی: بیوالکتریسیته، توان الکتریکی، پیل سوختی میکروبی بی واسطه، ماده تلقیحی، سوبسترا

* نویسنده مسئول، تلفن: 01113234204، پست الکترونیکی: rahimnejad_mostafa@yahoo.com

مقدمه

 

در طی قرون گذشته، سوختهای فسیلی به فرآیند صنعتی شدن و رشد اقتصادی کشورها کمک شایانی کرده است. اما پر واضح است که این نوع از سوختها نمی‌توانند یک اقتصاد جهانی پایدار برقرار سازند(14). سوختهای فسیلی منابع انرژی رو به زوالی هستند که جامعه رو به توسعه انسانی را در آینده‌ای نه چندان دور دچار کمبود سوخت خواهند ساخت.  با توجه به محدودیت منابع انرژی و مشکلات زیست محیطی ناشی از این آلاینده­ها لزوم استفاده از روشهای تبدیل انرژی با راندمان بالاتر و همچنین استفاده از سوختهایی که آلوده کننده نبوده و امکان تولید آن از منابع انرژی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر ممکن باشد اهمیت پیدا خواهد کرد(14).

از بین انواع مختلف انرژی، تولید انرژی الکتریکی از منابع تجدید پذیر، با توجه به قابلیت استفاده از آن در جنبه‌های  مختلف زندگی و صنعت ، به شدت مورد توجه قرار گرفته است. و تلاش‌های گسترده ای جهت جایگزین ساختن روشهای تولید الکتریسیته در حال انجام می باشد(3 و 9). در این میان، تکنولوژی پیل سوختی با قابلیت تبدیل مستقیم سوخت به انرژی الکتریکی،  نوید بخش راه ‌حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی و آلودگی محیط‌زیست می‌باشد(1) و در میان انواع پیل سوختی، پیل سوختی بیولوژیکی که درآن انرژی ذخیره شده در پیوند‌های شیمیایی ترکیبات آلی از طریق واکنشهای کاتالیستی توسط میکروارگانیزم‌ها به انرژی الکتریکی تبدیل می شود، نظر بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است(2 و 7).

سیستم پیل سوختی میکروبی  معمولاً شامل دو محفظه کاتدی و آندی می باشد که توسط غشای مخصوص تبادلگر پروتون از هم جدا شده اند. در بدنه آندی، سوخت توسط میکروارگانیسم‌ها اکسید شده، تولید الکترون و پروتون می‌نماید. الکترونهای تولیدی از طریق یک مدار خارجی و پروتونها از میان غشاء به بدنه کاتدی منتقل می‌شوند. الکترونها و پروتونها در بدنه کاتدی با اکسیژن ترکیب شده و تولید آب می نمایند(10 و 12).

عوامل مختلفی شامل سرعت تجزیه سوبسترا، سرعت انتقال الکترون از میکروارگانیسم به الکترود، مقاومت مدار و انتقال پروتون در مایع و ... بر عملکرد پیل سوختی میکروبی تأثیر گذارند(5).در میان عوامل تأثیر گذار، سرعت انتقال الکترون از میکروارگانیسم به الکترود در محفظه آندی تأثیر قابل ملاحظه ای بر عملکرد پیل دارد. از آنجایی که سلولهای باکتریایی اصولاً از نظر الکترو شیمیایی غیر فعال می باشند، انتقال سریع الکترون از میکروارگانیسم به الکترود نیازمند واسطه های انتقال الکترون است(6) . در پیل سوختی میکروبی با واسطه انتقال الکترون از میکرو ارگانیسم ها به الکترود توسط واسطه هایی مانند تیونین، متیل ویولوژن، متیل بلو، هیومیک اسید، قرمز خنثی و ... تسهیل می‌یابد(10 و 11). واسطه های مورد استفاده در پیل سوختی میکروبی معمولاً ترکیباتی سمی و گران قیمت هستند. بنابراین به کارگیری طولانی مدت پیل سوختی میکروبی با واسطه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست(5). اما در پیلهای سوختی میکروبی بی واسطه میکروارگانیسم های مورد استفاده از نظر الکترو شیمیایی فعال می باشند، به عبارت دیگر میکروارگانیسم ها قادرند الکترونهای تولیدی را در غیاب واسطه های شیمیایی به سطح الکترود انتقال دهند(6).

همان طوری که اشاره شد، میکرو ارگانیسم ها به عنوان بیو کاتالیست در پیل سوختی میکروبی به کار گرفته می شوند، که می توانند به صورت خالص یا ترکیبی مورد استفاده قرار گیرند. اما از آنجایی که به کارگیری میکروارگانیسم ها به صورت خالص در کاربردهای عملی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد،  می توان از مواد تلقیحی ترکیبی استفاده نمود(4 و 8).

در این بررسی به تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی بی واسطه  جهت تولید انرژی پاک تجدید شدنی و ارزان قیمت پرداخته شده است. در ابتدا منبع مناسب مولد تولید جریان بیوالکتریسیته انتخاب شد و پس از آن تأثیر پارامترهای مؤثر جهت افزایش توان الکتریسیته مورد بررسی قرار گرفت. پارامترهایی نظیر منبع میکروبی ، اثر مقدار ماده تلقیحی و نوع منبع کربنی بر میزان توان الکتریکی مورد مطالعه و  بررسی قرار گرفته است. 

مواد و روشها

در این بررسی از فاضلاب بی هوازی تصفیه خانه شهرک صنعتی بابل به عنوان ماده تلقیحی استفاده شده است. ماده تلقیحی ترکیبی به محیط کشت ساختگی شامل (گلوکز g.l-11 عصاره مخمر 3 g.l-1 ، پپتون 1 g.l-1 ، آمونیوم کلرید 5/0g.l-1 ) تلقیح گردید. همچنین pH محلول با استفاده از بافر فسفات در pH=7 نگه داشته شده است. همه مواد شیمیایی و معرفهای مورد استفاده از شرکت مرک آلمان (Merk,  Germany) تهیه شد.

سیستم پیل سوختی میکروبی: در انجام آزمایشات از یک پیل دو قسمتی شامل بخش آند بی هوازی وکاتد هوازی مجزا از هم استفاده گردید. جنس محفظه ها از شیشه پلکسی گلاس وظرفیت هر یک از آنها 800 میلی لیتر بوده است. دو محفظه توسط یک غشاء عبور دهنده پروتون با ابعاد (cm3×3) از جنس نافیون (Nafion 117, Sigma–Aldrich) از هم جدا شده بودند. به منظور زدودن هر گونه ناخالصی و بهبود عملکرد غشاء، غشای مورد استفاده ابتدا به مدت 1 ساعت در آب اکسیژنه 3 درصد در حال جوش قرار گرفت،  سپس به مدت یک ساعت در آب مقطر جوشیده شد پس از آن به مدت 1 ساعت در اسید سولفوریک 5/0 مولار و در نهایت نیز بار دیگر به مدت 1 ساعت در آب مقطر  در حال جوش به منظور زدودن تمامی آلودگی و ناخالصیها قرار گرفت.  همچنین به منظور حفظ  قابلیت هدایت غشاء در مواقعی که پیل مورد استفاده قرار نمی گرفت،  محفظه های کاتدی و آندی با آب مقطر پر می گشت.  در این کار برای انتقال الکترونهای تولیدی از الکترودهایی از جنس گرافیت استفاده شده است. ابعاد الکترود آند ( cm5/5×5/2) وکاتد ( cm7×5/2) بوده و جریان حاصل توسط یک سیم مسی به مدار بیرونی منتقل گردیده است. نمای تک سل بیولو‍ژیکی طراحی شده به صورت تصویری  و شماتیک در شکل (1) نشان داده شده است. در محفظه آندی پیل سوختی از فاضلاب بی هوازی تصفیه خانه شهرک صنعتی بابل به عنوان ماده تلقیحی استفاده شده است. ماده تلقیحی ترکیبی به محیط کشت ساختگی شامل (گلوکز g.l-11 ،عصاره مخمر 3 g.l-1 ، پپتون 1 g.l-1 ، آمونیوم کلرید 5/0g.l-1 )تلقیح گردید. همچنین pH محلول با استفاده از بافر فسفات در pH=7 نگه داشته شده و محفظه کاتدی نیز از محلول بافری پر شده است. در طول آزمایشات پیل در محفظه ای در دمای اتاق نگهداری شده است.

 

 

  

شکل 1 – عکس و نمای شماتیک پیل سوختی بیولوژیکی مورد استفاده در این تحقیق.


روش تحلیلی: به منظور آنالیز داده های آزمایشگاهی بر حسب ولتاژ و دانسیته جریان تکنیک قطبیت به کار گرفته شده است. منحنیهای قطبیت با استفاده از یک مقاومت بیرونی قابل تنظیم به دست آمده اند. توان و جریان نیز بر اساس معادلات زیر محاسبه شده اند (13):

     (1) 

(2)        

که در آن P  توان تولیدی وE ولتاژ پیل،  Rext مقاومت بیرونی و I جریان تولیدی را نشان می دهد. جریان و توان تولیدی که به صورت لحظه ای ثبت می شدند،  با استفاده از مساحت سطح غشای مورد استفاده به هنجار (نرمال سازی) شده اند. داده گیر آنالوگ دیجیتال به منظور ثبت داده در هر چهار دقیقه ساخته شده است. اندازه گیریها در مقاومتهای متغیری که در مسیر پیل قرار می گرفته انجام گرفته است. جریان در پیل سوختی به صورت خودکار با تقسیم ولتاژ بر مقاومت معین محاسبه و ثبت شده است. سپس سیستم محاسبات توان تولیدی را به صورت حاصل ضرب ولتاژ و جریان فراهم می آورد. امکان مشاهده لحظه ای منحنی قطبیت که بیانگر تغییرات دانسیته توان و ولتاژ پیل سوختی نسبت به جریان است، فراهم آورده شده است. سیستم ثبت لحظه ای داده توانایی عملکرد به صورت خودکار یا دستی را داشته است. زمانی که سیستم در حالت خودکار است رله های تعبیه شده قادر به تنظیم خودکار مقاومتها بوده اند. ولتاژ پیل تقویت شده و سپس داده با استفاده از یک مبدل دقیق آنالوگ به دیجیتال به یک میکروکنترلر انتقال داده شده است. میکروکنترلر قادر به ارسال داده اولیه به یک کامپیوتر با اتصال موازی بوده است. ضمنا برنامه ای از نرم افزار MATLAB( 4/7، 2007 )  برای ذخیره و نمایش همزمان داده های به دست آمده به کار گرفته شده است. توان،  جریان و ولتاژ به صورت خودکار با استفاده از کامپیوتر متصل به سیستم داده گیر ثبت شده است (13) .   

نتایج  

انتخاب منبع میکروبی: اولین گام در این تحقیق انتخاب منبع میکروبی مناسب و به دست آوردن شرایط دمایی بهینه جهت رشد میکروارگانیسم ها بوده است. فاضلاب بی هوازی از تصفیه خانه کارخانه لبنی گلا و تصفیه خانه شهرک صنعتی بابل به عنوان دو منبع میکروبی مجزا به محیط کشت تلقیح شده است و سپس منحنی رشد مخلوط بی هوازی در شرایط مختلف شامل: دمای 5 ، دمای محیط (20 درجه سانتی گراد) ، دماهای 30، و 50 درجه سانتی گراد  مورد بررسی قرار گرفت همان طوری که شکل(2) نشان داده شده است مخلوط بی­هوازی در دمای محیط بیشترین رشد را از خود نشان داده است. و در دمای 5 درجه سانتی گراد نیز کمترین رشد مشاهده شده است. از طرفی دیگر در شرایط کاملاً یکسان میکروارگانیسم­های موجود در فاضلاب شهرک صنعتی بابل رشد بیشتری از خود نشان داده است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 2- الف- منحنی رشد فاضلاب شهرک صنعتی بابل ب : منحنی رشد فاضلاب کارخانه لبنی گلا در دماهای مختلف

 

با توجه به رشد مناسب میکروارگانیسم های موجود در فاضلاب شهرک صنعتی بابل و سهولت در تهیه این منبع میکروبی ، در انجام آزمایشات از این منبع به عنوان ماده تلقیحی استفاده شده است. در انتخاب منبع میکروبی علاوه بر رشد مناسب منبع مورد نظر در شرایط محیطی ، قابلیت استفاده از آن به عنوان ماده تلقیحی در محفظه آندی و تولید توان الکتریسیته نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است.

فاضلاب به عنوان بایوکاتالیست فعال به سمت آند پیل اظافه و توان الکتریکی تولید شده به وسیله آن مورد بررسی قرار گرفت. ابتدا سیستم در حالت ولتاژ مدار باز قرار گرفت. همان طوری که در شکل3  نشان داده شده است، ولتاژ مدار باز پیل سوختی ساخته شده برای مدت زمان 90 ساعت توسط دستگاه ثبت دیتا ذخیره ثبت گردیده است. ولتاژ اولیه پیل، پس از تلقیح میکروارگانیزم به آند کمتر از mV 100 بوده است و سپس به طور تدریجی افزایش یافته است. تقریبا پس از گذشت  37 ساعت از  تلقیح میزان ولتاژ مدار باز به مقدار بیشینه خود رسیده و در این مقدار در طول مدت بررسی ثابت بوده است. بیشینه ولتاژ مدار باز ثبت شده حدود mV 580 می باشد.

شکل 3- منحنی ولتاژ مدار باز پیل سوختی میکروبی

پس از پایداری ولتاژ مدار باز سیستم، عملکرد سیستم از نظر تولید جریان و توان الکتریکی ثابت خواهد بود. همان طوری که در شکل 4 نشان داده شده‌ است نتایج حاصل نشان دهنده انتخاب موفقیت آمیز میکروارگانیزم‌های به کار گرفته و اثبات توانایی آنها در تولید جریان بدون استفاده از واسطه می باشد. شرایط آزمایشی متفاوت به کار گرفته شده، مقایسه نتایج به دست آمده را با منابع موجود دشوار می سازد با این حال جدول1 جهت مقایسه تحقیق حاضر با کارهای انجام شده در این زمینه می باشد.

 

شکل 4- منحنی قطبی و دانسیته توان بر حسب دانسیته جریان.

 

 

جدول 1- مقایسه تحقیقات صورت گرفته با تحقیق جاری

سوبسترا

ماده تلقیحی

دانسیته توان(mW/m2)

ملاحظات

      مرجع

گلوکز

رودوفراکس فریردوسنس

(Rhodoferax ferrireducens)

4/33

 

Cheng, S.,H. Liu, and B.E. Logan (2006)

گلوکز

مخلوط بی‌هوازی

6/115

با استفاده از پرمنگنات در کاتد

Habermann, W. and E. Pommer (1991)

گلوکز

ساکرومایسس سرویسیا

(Saccharomyces cervisia)

    133

با استفاده از قرمز خنثی (Neutral red) به عنوان واسطه در آند و پرمنگنات در کاتد.

Rahimnejad, et al. (2011)

گلوکز

فاضلاب بی هوازی

151

 

تحقیق حاضر


اثر درصد تلقیح ماده تلقیحی در تولید توان الکتریکی: در سه آزمایش جداگانه سه درصد تلقیح 5، 10 و15 درصد حجمی ماده تلقیحی در محفظه اندی مورد ارزیابی قرار گرفته است. در هر آزمایش فاضلاب به عنوان ماده تلقیحی به محیط کشت شامل گلوکز با غلظت g.l-1 5/0 تلقیح و پیل راه اندازی گشت وتولید جریان و توان مورد بررسی قرار گرفت. همان طوری که در شکل 5 نشان داده شده است، اگر چه با تغیییر درصد تلقیح تغییر چشم‌گیری در توان تولیدی مشاهده نمی‌شود اما همان طوری که در شکل نشان داده شده است در درصد تلقیحی 10 درصد بیشترین توان تولیدی مشاهده می‌شود.

 

 

 

شکل 5 - منحنی قطبی و دانسیته توان بر حسب دانسیته جریان در درصد تلقیحهای الف) 5 ، ب)10 وج) 15 درصد


اثر منبع کربنی مورد استفاده در تولید توان الکتریکی: در آزمایشهای جداگانه با ثابت نگه داشتن سایر اجزای محیط کشت از سه منبع کربنی متفاوت شامل گلوکز، فروکتوز و ساکاروز به عنوان الکترون دهنده با غلظت یکسان g.l-1 5/0 در محفظه اندی استفاده شده است. شکل(6) نتایج حاصل از انجام این آزمایشات را نشان می‌دهد. همان‌طوری که در شکل نشان داده شده است; در شرایط کاملا یکسان محیط کشت شامل گلوکز، ساکاروز  و فروکتوز به ترتیب بیشترین توان الکتریکی را تولید می‌نمایند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 6- منحنی قطبی و دانسیته توان بر حسب دانسیته جریان با استفاده از گلوکز، فروکتوز و ساکارز به عنوان منبع کربنی

بحث

انتخاب انرژیهای نو و جایگزین مناسب برای انرژیهای فسیلی از جمله مباحثی می باشد که اخیراً مورد توجه محققان قرار گرفته است. وجود انواع مختلفی از میکروارگانیسم ها که هرکدام قادر به انجام فرآیندی خاص می باشند علم بیوتکنولوژی را قادر به حضور در تمامی زمینه ها و شاخه های علمی نموده است و با پی بردن محققین این رشته به وجود میکروارگانیسم هایی که قادرند در پی انجام واکنشهای متابولیکی خود الکترون آزاد نمایند گامهای مؤثری در توسعه پیل سوختی میکروبی گرفته شده است. در این تحقیق به بررسی تولید الکتریسیته در پیل سوختی میکروبی بی واسطه با استفاده از فاضلاب به عنوان ماده تلقیحی پرداخته شده است. تا با حذف واسطه به عنوان یک ماده سمی و هزینه‌بر از سیستم پیل سوختی میکروبی و همچنین به کارگیری فاضلاب به عنوان یک منبع میکروبی رایگان گامی مؤثر در جهت توسعه کاربرد های عملی پیل سوختی میکروبی گرفته شود.

 در این بررسی نشان داده شده است که مخلوط میکروارگانیزم به عنوان بیوکاتالیست فعال در دمای محیط بهترین شرایط رشد را دارا می­باشد. و در دمای 5 درجه سانتی گراد نیز کمترین رشد داشته است. با توجه به رشد مناسب میکروارگانیسم های موجود در فاضلاب شهرک صنعتی بابل و سهولت در امکان تهیه این منبع میکروبی تصمیم به استفاده از آن به عنوان ماده تلقیحی گرفته شد. توان الکتریکی به دست آمده با مقایسه با کارهای مشابه در این زمینه قابل ملاحظه بوده است.

با بررسی اثر درصد تلقیح بر عملکرد پیل سوختی, درصد تلقیح 10 درصد ماده تلقیحی به عنوان درصد تلقیح بهینه به دست آمده است در توجیه نتایج به دست آمده می توان گفت؛ در تلقیح 5 درصد  میکروارگانیسم های مورد نیاز جهت انجام فعالیتهای کاتالیستی در محفظه آندی فراهم نمی‌گردد که این امر موجب کاهش توان تولیدی می‌گردد اما در درصد تلقیحهای بالا (20 درصد) هر چند میکروارگانیسم‌های مورد نیاز جهت انجام واکنش مد نظر در محفظه آندی فراهم می‌آید، اما تجمع میکروبی و تولید مواد واسطه ضمن فعالیت متابولیکی بار میکروبی موجود در محفظه آندی سبب کاهش انتقال جرم و در نتیجه کاهش توان تولیدی می‌گردد.

نتایج به دست آمده نشان داد که گلوکز بیشترین توان الکتریکی را در پیل تولید نموده است و این به سبب تمایل میکروارگانیزم­های موجود به مصرف این سوبسترا می­باشد. با توجه به اینکه سایر عوامل تأثیر گذار در تولید الکتریسیته ثابت بوده اند مسیر متابولیکی که میکروارگانیسم ها در مصرف سوبسترای مد نظر در پیش می گیرند بر توان الکتریکی تولیدی تأثیر گذار است. همان طور که نتایج به دست آمده نشان می‌هد در بین منابع کربنی مورد استفاده، محیط کشت شامل گلوگز بیشترین توان الکتریکی را تولید کرده پس از آن ساکارز که ترکیبی از گلوکز و فروکتوز می‌باشد و در نهایت نیز فروکتوز کمترین توان تولیدی را داشته است. گلوکوز به دلیل دارا بودن ساختار ساده به وسیله بسیاری از میکروارگانیزم­ها مورد استفاده قرار می گیرد. هرچند که لازم به ذکر است که سوبستراهای دیگر مورد استفاده نیز توسط بسیاری از میکروارگانیزم­ها مورد استفاده قرار می گیرد. در این تحقیق نتایج به دست آمده نشان داده است که میکروارگانیزم­های موجود در محفظه بی­هوازی آند توانایی مصرف سوبسترای گلوکوز را به راحتی دارا می باشند و توان الکتریکی تولید شده به هنگام مصرف سوبسترای گلوکز بیشتر از سوبستراهای دیگر بوده است (15). محققین از سوبستراهای غیر کربنی نیز برای تولید جریان الکتریسته در پیل سوختی میکروبی نیز استفاده نمودند اما منابع کربنی به دلیل فراوانی بسیار و در دسترس بودن بیشتر مورد توجه محققین بوده است(16).

1. Aikens, D. (1983) Electrochemical methods, fundamentals and applications. Journal of Chemical Education, 60, 25-29.

2. Bullen, R.A., T. Arnot, J. Lakeman, and F. Walsh. (2006) Biofuel cells and their development. Biosensors and Bioelectronics, 21, 2015-2045.

3. Davis, F.a.S.P.J.H. (2007). Biofuel cells-Recent advances and applications. Biosensors and Bioelectronics, 22, 1224-1235.

4. Freguia, S., K. Rabaey, Z. Yuan, G. Keller. (2006) Electron and carbon balances in microbial fuel cells reveal temporary bacterial storage behavior during electricity generation. Environmental science and technology, 41, 2915-2921.

5. Jang, J.K. (2004) Construction and operation of a novel mediator-and membrane-less microbial fuel cell. Process Biochemistry, 39, 1007-1012.

6. Kim, B.H., H.J. Kim, M.S. Hyun, D.H. Park. (1999) Direct electrode reaction of Fe (III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Journal of microbiology and biotechnology, 9, 127-131.

7. Logan, B.E., B. Hamelers, R. Rozendal, U. Schrder, J. Keller, S. Freguia, P. Aelterman, W. Verstraete, and K. Rabaey. (2006) Microbial fuel cells: methodology and technology. Environmental science & technology, 40, 5181-5192.

8. Logan, B.E.a.J.M.R. (2006) Microbial Fuel Cells-Challenges and Applications. Environ. Sci. Technol, 40, 5172-5180.

9. Lovley, D.R. (2006) Microbial fuel cells: novel microbial physiologies and engineering approaches. . Current opinion in biotechnology, 17, 327-332.

10. Palmore, G.T.R.a.G.M.W. (1994) Microbial and enzymatic biofuel cells. Enzymatic conversion of biomass for fuels production. 566, 271-290.

11. Park, D.H.a.J.G.Z. (2000) Electricity generation in microbial fuel cells using neutral red as an electronophore, 66, 1292-1297.

12. Park, D.H.a.J.G.Z. (2003) Improved fuel cell and electrode designs for producing electricity from microbial degradation. Biotechnology and Bioengineering, 81, 348-355.

13. Rahimnejad, M., A. Ghoreyshi, G. Najafpour, T. Jafary (2011) Power generation from organic substrate in batch and continuous flow microbial fuel cell operations. Applied Energy, 88, 3999-4004.

14. Strik, D.P., H. Terlouw, H.V.M. Hamelers, C.J. Buisman. (2008) Renewable sustainable biocatalyzed electricity production in a photosynthetic algal microbial fuel cell (PAMFC). . Applied microbiology and biotechnology, 81, 659-668.

15. Sun, J., Y. Hu, Z. Bi, Y.q. Cao. (2009) Simultaneous decolorization of azo dye and bioelectricity generation using a microfiltration membrane air-cathode single-chamber microbial fuel cell. Bioresource Technology, 100, 3185–3192.

16. Zhu, X., J. Ni, (2009) Simultaneous processes of electricity generation and p-nitrophenol degradation in a microbial fuel cell. Electrochemistry Communications, 11, 274–277.