سلول ها یا پیل های سوخت میکروبی بیوراکتورهای شیمیایی هستند که از طریق شکستن پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی، تحت شرایط بی هوازی انرژی تولید می کنند. MFC به عنوان روشی نوین در تصفیه فاضلاب همزمان با تولید الکتریسیته می باشد. در این راکتورها انرژي شیمیایی ذخیره شده در مواد آلی از طریق فعالیت متابولیکی میکروارگانیسم ها به الکتریسیته تبدیل می شود.

پیل سوختی میکروبی چیست؟

یک پیل سوختی میکروبی (MFC) یک بیوراکتور است که انرژی شیمیایی موجود در پیوندهای شیمیایی ترکیبات آلی را از طریق واکنش های کاتالیزوری میکروارگانیسم ها تحت شرایط بی هوازی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

 مصرف بسیار زیاد انـرژي حاصـل از سـوخت هـای فسـیلی، اگرچـه رشـد سـریع اقتصـادی جوامـع پیشـرفته صنعتی را به همراه داشته است، اما استفاده از این انرژی ها موجب افزایش غلظت CO2 ،افزایش سرعت تغییرات جهانی آب و هوایی جهانی، ذوب یخهاي قطبی و بالا آمدن سطح آب دریاها و مشکلاتی براي سلامت انسان هـا شـده است که همین امر موجب تقویت منافع و قابلیت های MFC در میان محققان به عنوان راهی برای تولید برق یا هیدروژن از بیوماس بدون انتشار کربن خالص به اکو سیستم و تصفیه پساب ها شده است. MFC ها می توانند در تاسیسات تصفیه فاضلاب برای شکستن مواد آلی نیز مورد استفاده قرار گیرند. همچنین برای استفاده به عنوان بیوسانسورها مانند سنسورهای کنترل کننده نیازمندی به اکسیژن زیستی مورد مطالعه قرار گرفته اند.

فرآیند تولید

هنگامی که میکروارگانیسم ها یک ماده مانند شکر را در شرایط هوازی مصرف می کنند، دی اکسید کربن و آب تولید می کنند. با این حال، زمانی که اکسیژن موجود نیست، آنها دی اکسید کربن، پروتون ها و الکترون ها را تولید می کنند، همانطور که در زیر توضیح داده شده است:

 C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H ⁺ + 48E^–

یک MFC داراي دو قسمت آند و کاتد می باشد که توسط یک غشاء تبادل یونی از یکدیگر جدا می شوند. میکروارگانیسم های موجود در محفظه آند باعث می شود که ترکیبات آلی موجود در فاضلاب اکسید شده و الکترون ها به الکترود منتقل شوند.

الکترون ها از طریق یک سیم رسانا از آند به کاتد جریان می یابند. در حالیکه پروتون های تولید شده از میان یک غشای تبادل پروتون نفوذ می کنند. سپس الکترون ها وپروتون ها در کاتد با مولکول هاي اکسیژن ترکیب می شوند تا آب تشکیل شود . مواد منتقل کننده پروتون در MFC ها باید توانایی آن را داشته باشند تا  از انتقال سایر مواد مانند سوبسترا و یا الکترون پذیرنده ها مانند اکسیژن جلوگیري کنند و در عین حال پروتون را با سرعت زیادی به کاتد منتقل نمایند. در فرآیندهاي بیولوژیکی سوبسترا نقش مهمی در فراهم سازی منبع انرژي و کربن مورد نیاز جهت ساختار سازي سلولی دارد. غلظت سوبسترا و ترکیب شیمیایی آن می تواند هم بر جمعیت میکروبی و هم بر عملکرد کلی پیل سوختی میکروبی اثر گذاشته و میزان دانسیته توان و بازده کلومبیک را تحت تاثیر قرار دهد. فاضلاب که حاوی مواد آلی فراوانی است، به عنوان ماده ای مناسب جهت تولید حامل هاي انرژي مانند متان، هیدروژن می باشد و استفاده از آن به عنوان سوبسترا در MFC  می تواند منجر به تصفیه همزمان فاضلاب و تولید الکتریسیته از آن شود.

تصفیه با استفاده از MFC

MFC در تصفیه آب برای تسهیل انرژی با استفاده از تجزیه بی هوازی استفاده می شود. این فرایند همچنین می تواند پاتوژن های موجود در پساب را کاهش دهد. با این حال، استفاده از این متد نیازمند درجه حرارت تا 30 درجه سانتی گراد است و همچنین به یک مرحله اضافی برای تبدیل بیوگاز به برق نیاز است. برای افزایش تولید جریان برق ممکن است از فواصل مارپیچی با ایجاد یک جریان مارپیچی در MFC استفاده شود. مقیاس بندی MFC ها به دلیل تفاوت در قدرت خروجی با تغییر سطح بسیار متنوع است.

محدودیت اصلی MFC ها براي استفاده در مقیاس هاي بزرگ چگالی کم توان در آنهاست. از آنجا که نخستین تولید کننده های انرژی باکتری ها هستند، شناخت و بکار گیری گونه های باکتریایی که بتوانند الکتریسیته بیشتری تولید کنند لازم است. توان خروجی از MFC ها می تواند توسط فاکتور های متعددي مثل راندمان انتقال الکترون از میکروارگانیسم به الکترود ها، مساحت سطح الکترود، شکل راکتور، الکترون دهنده و الکترون پذیرنده و سینتیک های واکنش اکسیژن در محفظه کاتد محدود شود. تکنولوژی پیل سوخت میکروبی برای تصفیه فاضلاب با محدودیت هایی روبرو است. زیرا فرآیند هنوز جنبه تجاری نیافته است.