生体電気とは、電気化学的に活性なバクテリアが代謝活動の結果として生成する電気のことです。生体電気を利用することは、エネルギーを得るためのクリーンな方法です。
グレタ・トゥーンベリや毎週の極端な気象現象が私たちに思い出させ続けるように、気候危機はホットな話題です.世界の人口は増加しており、それに伴って人々の需要も増加しています。地球の悲惨な状況は、世界中で毎日話題になっています。一般的なコンセンサスは、強欲 と化石燃料 消費が原動力です。
今必要とされているのは、私たちが必要とするエネルギーを生産するための、よりクリーンで持続可能な方法です。確かに、太陽光、風力、水力発電、地熱エネルギーなどの代替アプローチが増加傾向にありますが、これらにはサイト固有であるという点で限界があります。水力発電ダムには動きの速い水が必要であり、ソーラー パネルには強い日光が必要であり、風車には平坦で開けた土地が必要です。
場所に依存しない発電方法があったとしたら?石炭を燃やして発電するのと同じように、廃棄物を使って発電できるでしょうか?もしそうなら、どのように？電気を生成するバクテリアを働かせるだけです!
生体電気とは?
生物電気とは、細菌、藻類、菌類などの生物によって生成される電気のことです。無駄な食べ物から木材まで、おいしい食料源を与えると、代謝活動の結果として少量の電気を生成します.
生体電気という用語は新しいものではありません。 1780 年代にルイージ ガルバーニが最初に使用したのは、貧しいカエルを稲妻で感電死させ、筋肉が痙攣するかどうかを確認したときでした。それ以来、生物学者は、生命がどのように電気を生成し、使用するかに魅了されてきました。その背後にある魅力的なストーリーの全文をここで読むことができます。
しかし最近では、バクテリアのような小さな生命体が生成し、私たちが生産的に利用できる電気を表すために、生物電気がより頻繁に使用されるようになりました.
バクテリアをバッテリーに入れることで、このエネルギーを自分で生成できます。生物電気を生成する生化学反応は、有機物 (基質) と微生物の 2 つの電極を含むバッテリー内の特定の設定で発生します。このセットアップは、微生物燃料電池 (MFC) と呼ばれます。
MFC とは?
MFC は一種の燃料電池で、ターミネーター 3 でアーノルド・シュワルツェネッガーに電力を供給するために使用されたものと似ています。
MFC は、従来のバッテリーと同様に機能します。どちらも、正電極 (アノード) を備えた正のセクションと、負電極 (カソード) を備えた負のセクションを備えています。正のセクションで生成された電子はアノードで拾われ、カソードへの移動によって電流が生成されます。
MFC と燃料電池の違いは、燃料電池は化学反応によって電気を生成するのに対し、MFC は生物学的プロセスによって電気を生成することです。
MFC の回路図。 (写真提供:Bretschger O/Wikimedia Commons)
バクテリアはアノードに存在します（陽性）。健康的に食物が供給されると、電子を放出し、それがアノードによって拾われます.ここで、カソードよりもアノードに多くの電子があるため、電子はカソードに向かって勢いよく移動します。酸素、プロトン、および電子がカソード (マイナス) で反応します。この陽子と電子の流れは、2 つの電極間に電位差を生じさせ、生体電気を発生させます。
スクロースがどのように分解されて陽子と電子を放出するかを示す式。
MFC で使用される微生物の種類は?
細菌の学名は、電気化学的に活性な微生物 (EAM) です。これが意味することは、食品のエネルギーである化学エネルギーを、電池内の電子からのエネルギーである電気エネルギーに変換できるということです。化学から電気への魔法を働かせるには、酸素が電子を奪い続けるため、無酸素環境 (嫌気性) が必要です。
すべての EAM が優れた細菌従業員であるとは限りません。特定の種は、より容易な電子伝達を可能にするタンパク質を生成するため、より適しています。 Geobacter と シェワネラ 細菌の種は、MFC で一般的に使用されます。
Shewanella の株 – S.ワンデンシス MR-1 — 最も研究され、広く分析されている EAM の 1 つです。それらは酸素の存在下または非存在下で生きることができ、成長が容易で、十分に文書化されたゲノム配列を持っています.しかし、主に、電子を容易に伝達する能力が、MFCで非常に望ましい理由です.
廃水や湿地の底に見られるような廃棄物に含まれる天然の微生物群集も、生体電気の生成に優れています。生体電気のニーズに合わせて、その自然の機能を利用するだけです。
微細藻類は、廃水から生物電気を生成するために使用される他の効率的な微生物です。
細菌が利用できる基質は?
MFC は一石二鳥です。電気を生成します。 彼らは私たちの廃棄物を分解します。私たちは膨大な量のあらゆる種類の廃棄物を生み出し、悲しいことに最終的に埋め立て地や海に投棄されるか、燃やされて大気中に大量の有害ガスを放出します。世界のエネルギー需要の約 7 ～ 15% はバイオマスを使用して満たすことができ、今では潜在的な廃棄物をすべて有効に活用できます。
下水、食品廃棄物、泥、動物の排泄物、またはあらゆる種類の有機廃棄物はすべて、微生物が生体電気を生成するために利用する優れた栄養素とエネルギー源です.これはまだプラスチック廃棄物を残していますが、その問題を解決できるバクテリアさえあるかもしれません.
日本のような小さな国では、年間 2,000 万トンの食品と台所の廃棄物が発生します。 (写真提供:Antonello Marangi/Shutterstock)
生体電気は未来ですか?
MFC による生体電気の生成は、無公害プロセスです。有機物はバクテリアによって嫌気的に分解され、生体電気を生成します。燃焼、有毒ガスの発生、有害廃棄物の発生はありません。これは環境に優しく持続可能なエネルギー生産方法です。
ただし、最大の制限は、生成される電力量が少ないことです。現在、平均的な MFC はわずか 0.5 V の電圧を供給します。それを概観すると、1 つのデュラセル AA 電池は 1.5 V の電圧を供給します。
生成されるエネルギー量はわずかですが、MFC にはまだ用途があります。ある研究では、MFC を使用して、生態系サイトを監視する小型ワイヤレス センサーに電力を供給しました。 MFC は再充電する必要がないため、電池の消耗によるセンサーの故障の心配はありませんでした。
もう1つの欠点は、低温で使用できないことです。寒い気候では、細菌の活動が低下し、代謝率が低下します。バクテリアを温かく保ち、エネルギー効率を維持できるようにする方法を見つけるまでは、申し訳ありませんが、カナダ、あなたはこの行動に参加していません.
科学者による多大な献身は、MFC の効率を改善し、それらを大規模に実装しようとしています。インドのグジャラート州の優秀な研究者である Nasreen Munshi 博士は、MFC のみで構成される独自のミニ バイオ電気プラントを立ち上げました。彼女と彼女の仲間の研究者は、少量の電気を数週間連続して利用することができました.
今日の研究者の主な焦点は、廃水処理場に生物電気プラントを設置することです。使用可能な量のエネルギーを継続的に生成できなくても、生成された生体電気はすべてコンデンサーに蓄えることができます。生体電気の量が十分なレベルに達すると、コンデンサから放電できます。
MFC の生体電気の使用は、最高のイノベーションです。有機物が存在し、バクテリアが地球上に生息している限り、MFC は持続可能な長期的なエネルギー源になる可能性があります。紙の上では、このような MFC は、エネルギーと廃棄物の問題の両方に取り組む独創的なソリューションです。バクテリアは、私たちの膨大な量の有機廃棄物を食べて喜んで飛び跳ねます (もし彼らが喜びを感じたりジャンプしたりできるなら)。
数十年後に、人々の家や建物に MFC が取り付けられると想像してみてください。廃棄物をゴミ箱に捨てる代わりに、これらの小さなセルに捨てることで、照明を動かす電気に変換することができます。つまり、もうゴミを出す必要はありません!
