生物電気化学的に支援された電気透析|地学

微生物電解セルは、「電気活性微生物」を生体触媒として電気化学デバイスに利用する革新的な技術です。これらの電気活性微生物は、導電性物質を電子供与体または受容体として使用して、外部電子移動メカニズムを通じて導電性物質と電子を交換できます。

微生物の代謝による現在の世代は、1911 年に M.C.ポッターは、彼の科学的コミュニケーションレター「有機化合物の分解に伴う電気的影響」で次のように述べています。

微生物と固体材料との相互作用に関する研究は、特に海洋環境下での金属の生物腐食の分野で主に続けられましたが、過去 20 年間、電気活性微生物に関する科学的関心は主に、環境分野における生物電気化学システムへの応用に集中してきました。 .

後期に開発された最もよく知られている生物電気化学デバイスは、有機化合物の生物陽極酸化と空気中の酸素の還元を組み合わせることによって電気エネルギーを生成できる、空気陰極の微生物燃料電池 (MFC) です。廃水に含まれる化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する可能性を与えます。 MFC のエネルギー出力がベンチマーク技術とはかけ離れていたとしても、MFC に関する研究は、今日、世界中から 900 人以上の科学者が参加する、新しく非常に活発な研究分野につながりました。そのほとんどは国際微生物電気学会に所属しています。テクノロジー (ISMET)。

現在、生物電気化学システムは、廃水処理と組み合わせた標的分子の生成（微生物電解セル、MEC）、汽水および海水の淡水化（微生物脱塩セル、MDC）、または直接CO₂ 揮発性脂肪酸への固定 (微生物電気合成細胞、MES)。 MEC は、CO₂ を組み合わせる潜在的な戦略を表すことができるため、最も研究されているデバイスですエネルギー貯蔵と栄養素の回復による固定.

生物電気化学メタネーションを、特に再生可能資源からの電力過剰生産の使用戦略として使用する可能性は、濃縮 CO₂ バイオガスやその他の煙道ガスなどの流れは、メタン生成バイオカソードを使用してメタンに変換できます。さらに、生物電気化学反応によって生成されたエネルギーは、陽イオン交換膜を介した移動のおかげで、廃水からのアンモニウム態窒素の濃縮と回収を可能にします。アンモニアの固定 (エネルギー集約型のハーバーボッシュプロセスによって実行される) と廃水からの除去 (硝化/脱窒素プロセス) はエネルギー集約型のプロセスであるため、アンモニウムの回収は重要な環境目標を表しています。

これに関連して、私たちの研究グループ「バイオガスのアップグレードと栄養素の回収のための 3 チャンバーバイオ電気化学システム」によって最近発表された研究は、陰極メタン生成と CO_{を組み合わせることを目的とした微生物電解セルの革新的な構成の性能を報告しています2} アンモニアおよび重炭酸塩の回収とともに、陽極廃水処理による除去。この刊行物で生み出された革新は、陽子交換膜と陰イオン交換膜によって陽極室と陰極室の間に分離された、蓄積室と呼ばれる中間室の追加です。

セルの構成により、陽イオン (アンモニウム) が陽極から蓄積チャンバーに移動し、陰イオン (重炭酸塩) が陰極から蓄積チャンバーに移動することによって、電気的中性の維持が確保されました。イオン移動の駆動力は、陽極および陰極の生物電気化学反応、すなわち有機物の陽極酸化 (COD) および陰極 CO₂ によって生成される電気です。割引;結果として得られるプロセスは、生物電気化学的に生成されたエネルギーを使用して、従来の電気透析プロセスのように機能します。 MEC の操作中に決定された主なイオン種は、陽極流入液 (都市の廃水をシミュレートする) によって供給されるアンモニウムと、CO₂ に由来する重炭酸塩でした。アルカリ度の生成による陰極室での収着。陰極室でのアルカリ性の生成 - 主な CO₂ 除去メカニズム – プロトンやヒドロキシルとは異なる種のイオン移動に由来し、回路を流れる電流に直接関連しています.

3 チャンバー MEC プロセスは、嫌気性消化プロセスからの副産物の品質を向上させるためのポストユニット処理として使用できる可能性があります。つまり、バイオガスは陰極チャンバーで CO₂ 除去はバイオメタンに変換されますが、陽極チャンバーでは、通常、残留 COD と高濃度のアンモニウムを含む消化物が、残留 COD の酸化によってプロセスのエネルギー需要を部分的に支えます。最後に、2 つの生物電気化学反応によって生成された電流は、アンモニウムと重炭酸塩の移動を促進し、肥料として、または栄養溶液などの他のバイオテクノロジー目的に利用できる蓄積チャンバー内に濃縮されたストリームを取得します。

参考文献

<オール>

ポッター, M. C. (1911). 「有機化合物の分解に伴う電気的効果」ロンドン王立協会議事録 B:生物科学 84(571):260-276.

Schroder, U.、F. Harnisch、L. T. Angenent (2015)。「微生物の電気化学と技術：用語と分類。」エネルギーと環境科学 8(2):513-519.

Geppert, F., D. Liu, M. van Eerten-Jansen, E. Weidner, C. Buisman and A. ter Heijne (2016). 「バイオ電気化学パワー・トゥ・ガス：最先端技術と将来展望」。バイオテクノロジーの動向 34(11):879-894。

Zepilli, M.、A. Mattia、M. Villano、M. Majone 「バイオガスのアップグレードと栄養素の回収のための 3 チャンバーバイオ電気化学システム」。燃料電池

バイオガスのアップグレードと栄養素の回収のための 3 チャンバーバイオ電気化学システムに関する研究は、最近 Fuel Cells 誌に掲載されました。 .