Generazione di Energia con Celle a Combustibile di Origine Microbiologica

Le celle a combustibile microbiologiche sono dispositivi in grado di generare elettricità sfruttando l’attività metabolica dei [microrganismi](https://it.wikipedia.org/wiki/Microrganismo). Le celle a combustibile microbiologiche possono essere definite come una cella a combustibile che converte l’energia chimica delle sostanze organiche in energia elettrica in cui microrganismi agiscono come biocatalizzatori e pertanto hanno un potenziale per la produzione di bioelettricità utilizzando i rifiuti organici come materia prima.

Le celle a combustibile microbiologiche sono state inizialmente introdotte per il trattamento delle acque reflue nel 1991. Da allora questo tipo di dispositivo ha dimostrato la capacità di generare fino al 50% dell’energia necessaria nei metodi convenzionali di trattamento delle acque reflue.

Il significativo risparmio energetico deriva principalmente dall’eliminazione dell’aerazione e dell’interramento dei fanghi solidi, che collettivamente costituiscono la metà delle spese operative nelle procedure di trattamento aerobico. Inoltre, la pila a combustibile microbiologico contribuisce a una riduzione sostanziale del 50-90% nella produzione di solidi da smaltire, assumendo così il ruolo di un’alternativa eco-compatibile.

Pertanto, le celle a combustibile microbiologiche sono considerate un’alternativa promettente alla tradizionale energia fossile, mostrando un grande potenziale nella produzione di energia, nella gestione dei rifiuti e nella valorizzazione della biomassa.

Funzionamento delle celle a combustibile microbiologiche

Lo schema di progettazione tipico, per la maggior parte delle celle a combustibile microbiologiche, è a due compartimenti, in cui l’anodo e il catodo sono separati da una membrana permeabile a scambio protonico, che consente il flusso di protoni al catodo per la riduzione dell’ossigeno e svolge un ruolo fondamentale nella separazione delle camere anodica e catodica.

funzionamento funzionamento

Il sistema funziona sulla conversione dell’energia chimica in energia elettrica supportata dall’attività metabolica di alcuni microbi. Come un tipico sistema bioelettrochimico, le celle a combustibile microbiche sono costituite da una regione anodica e una regione catodica separate da una membrana a scambio protonico.

La generazione di elettricità si basa sull’ossidazione biologica e sulla riduzione dell’ossigeno che si verificano rispettivamente all’anodo e al catodo. Nella regione dell’anodo, i microbi agiscono come biocatalizzatori per decomporre i substrati per la generazione di elettroni e protoni attraverso la respirazione cellulare. Questo scambio può avvenire direttamente tra il microbo e l’anodo, oppure indirettamente attraverso molecole mediatrici.

bioelettricità bioelettricità

Questi elettroni sono trasportati attraverso il circuito esterno e i protoni trasportati attraverso la membrana a scambio protonico. A seguito del trasporto degli elettroni, questi partecipano a una semireazione di riduzione, tipicamente la riduzione dell’ossigeno in acqua al catodo. Poiché i microbi possono utilizzare gli inquinanti organici per supportare le loro attività metaboliche e generare elettroni, il sistema delle celle a combustibile microbiologiche può comportare la contemporanea degradazione degli inquinanti organici e la produzione di elettricità.

Questo processo di generazione di energia presenta molti vantaggi, come condizioni di produzione blande come temperatura ambiente, pH neutro, operazioni semplici e un’ampia gamma di fonti di biocatalizzatori. Inoltre, genera anche acqua pulita come sottoprodotto, che può essere riutilizzata o rilasciata nell’ambiente.

Rimozione di inquinanti

Per la rimozione di composti organici presenti nelle acque reflue, le sostanze chimiche vengono ossidate dai microrganismi nel compartimento anodico con formazione di composti meno complessi come anidride carbonica e acqua. Il compartimento catodico genera quindi elettricità ricevendo gli elettroni prodotti dall’ossidazione.

acque reflue acque reflue

Oltre a produrre energia, il processo di biodegradazione pulisce l’acqua rimuovendo le impurità presenti in percolati di discarica, rifiuti industriali, rifiuti alimentari, acque reflue urbane e rifiuti caseari reflue, che possono essere riutilizzate o rilasciate nell’ambiente, rendendo le celle a combustibile microbiologiche una soluzione di trattamento ecologica e sostenibile.

Le celle a combustibile microbiologiche sono state utilizzate con successo nel trattamento di sostanze chimiche organiche come glucosio, acetato, butirrato, cisteina, proteine e lignocellulosa. I benefici delle celle a combustibile microbiologiche nel trattamento delle acque reflue e nella produzione di bioenergia dipendono da una serie di variabili, tra cui il tipo di acque reflue, il tipo di del reattore e i biocatalizzatori.

Anodo

I componenti principali delle celle a combustibile microbiologiche sono la membrana, l’anodo e il catodo che costituiscono gli elettrodi responsabili di facilitare il trasferimento degli elettroni rilasciati dai microrganismi al circuito esterno della cella.

I materiali degli elettrodi dovrebbero essere biocompatibili, porosi, facilmente realizzabili a basso costo, riciclabili e possedere un’elevata area superficiale specifica, resistenza alla corrosione, elevata resistenza meccanica e, in particolare, devono avere un’elevata conduttività elettrica. Per quanto riguarda l’anodo, affinché i collegamenti elettrici siano efficaci, i batteri devono aderire ai materiali. Pertanto, l’aggiunta di rivestimenti a questi materiali influenza anche la capacità dei batteri di trasferire elettroni alla superficie attraverso nanofili, mediatori o contatto diretto.

I composti a base di carbonio sono materiali che rispondono a queste caratteristiche e pertanto sono state studiate diverse strutture a base di grafite in relazione alla loro interazione con i microrganismi nei processi di trasferimento di elettroni. Tra i vantaggi degli anodi a base di carbonio vi è una migliore conduttività elettrica, biocompatibilità ma hanno una limitata attività elettrocatalitica. Pertanto, sono state proposte diverse strategie di modifica per migliorarne le prestazioni e ottimizzare la potenza erogata.

Tra i vari stati allotropici del carbonio sono stati utilizzati nanotubi di carbonio, dotati di ampia area superficiale specifica, resistenza meccanica, stabilità e conduttività. I polimeri conduttivi hanno catturato l’attenzione di diversi ricercatori che hanno dimostrato che hanno la capacità di migliorare il trasferimento di elettroni dell’anodo e l’area superficiale effettiva. Inoltre, la polianilina, un polimero conduttivo, protegge i microrganismi e migliora l’attività elettrocatalitica.

Catodo

Il catodo funge da sito della reazione elettrochimica che coinvolge elettroni, protoni e ossigeno. Ma, a differenza dell’anodo, necessita di un catalizzatore per accelerare la reazione chimica. Come elettrodi catodici sono state impiegate varie forme di carbonio, come carbone attivo granulare e reti di acciaio inossidabile.

I ricercatori hanno recentemente incorporato nanotubi di carbonio come catodi nelle celle a combustibile microbiologiche per costruire una rete di elettrodi tridimensionale, migliorando l’area specifica e l’efficienza della reazione catalitica.

Un altro approccio è costituito dai biocatodi che utilizzano batteri aerobici, che possono catalizzare biochimicamente la reazione di riduzione dell’ossigeno e migliorare le prestazioni delle celle a combustibile microbiologiche. Il biocatodo richiede un supporto su cui i batteri formano il biofilm e viene spesso utilizzato l’acciaio inossidabile.

Membrana

La scelta di una membrana adeguata è fondamentale e dovrebbe considerare fattori quali la resistenza interna, la perdita di substrato e la diffusione dell’ossigeno. Ricerche approfondite su diversi tipi di membrane per celle a combustibile microbiologiche come membrane a scambio cationico, membrane a scambio anionico, membrane bipolari, membrane di microfiltrazione, membrane di ultrafiltrazione, ponti salini, fibre di vetro e tessuti porosi.

In base alle loro proprietà di purificazione, queste membrane possono essere classificate in tre gruppi principali: membrane a scambio cationico, separatori selettivi per dimensione e ponti salini. Le membrane a scambio cationico possono essere costituite da nafion fluoropolimero-copolimero costituito da tetrafluoroetilene solfonato o da hyflon, nome commerciale del politetrafluoroetilene modificato con l’aggiunta di co-monomeri.

Le membrane a scambio anionico consentono il trasporto di ioni caricati negativamente e contengono ioni con carica positiva. Le membrane porose sono le membrane in cui la separazione avviene in base alla dimensione dei pori. Alcuni degli esempi comuni sono la lana di vetro, le UFM (Ultra Filtration Membranes) e le MFM (Micro Filtration Membranes).

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