MİKROBİYAL YAKIT HÜCRELERİ İLE ATIKLARDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ

1. MİKROBİYAL YAKIT HÜCRELERİ İLE ATIKLARDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ Mühendislik ve MimarlıkFakültesi Biyomühendislik Bölümü Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu Ar.Gör. İsmail Ağır Uzm. Yasemin Toker İstanbul 21 Mayıs 2012

2. İÇERİK Alternatif enerji ihtiyacı Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH) MYH bileşenleri ve kullanılan malzemeler Anot ve Katot Reaksiyonu MYH’deMikrobiyal Kültürler Farklı MYH tasarımları Atık Su Arıtımında MYH kullanımı Sonuç Kaynaklar

3. Alternatif Enerji İhtiyacı Alternatif Enerji TürüKaynak veya yakıtı 1 Nükleer Enerji Uranyum gibi ağır elementler 2 Güneş Enerjisi Güneş 3 Rüzgar Enerjisi Atmosferin hareketi 4 Dalga Enerjisi Okyanus ve denizler 5 Doğal Gaz Yer altı kaynakları 6 Jeo-termal Enerji Yer altı suları 7 Hidrolik potansiyel Nehirler 8 Hidrojen* Su ve hidroksitler 9 Biyomas,biyodizel ve biyogaz* Atıklar ve yağlar 10 Biyoelektrik* Atıklar *Mikroorganizmalar yardımıyla üretilen alternatif enerji çeşitleri Günümüzde, insanoğlunun teknolojiye bağlı olarak artan günlük enerji ihtiyacının büyük bir kısmı, fosil yakıtlardan (mazot, doğal gaz, kömür) sağlanmaktadır. Son yıllarda bilim dünyası, tükeneceği bilinen fosil yakıtlara, alternatif enerji kaynakları arayışına yönelmektedir. Bu alternatif enerji kaynaklarından biri de Mikrobiyal Yakıt Hücreleri’dir(MYH).

4. Mikrobiyal Yakıt Hücreleri (MYH) Organik atıklardaki kimyasal enerjiyi, mikroorganizmalar yardımı ile doğrudan elektrik enerjisine çeviren biyoreaktörlerdir. MYH sistemi içinde bakteriler katalizör görevi görerek organik ve inorganik maddeleri yükseltgeyerek akım üretir.

5. MYH Bileşenleri ve Kullanılan Malzemeler Mikrobiyal yakıt hücrelerinin şematik gösterimi (Kılıç ve ark., 2011) Sisteme genel olarak bakıldığında, elektrokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği bir anot bölmesi, bir katot bölmesi ve proton değişim membranından oluşmaktadır. Anot Katot Proton değişim membranı Direnç Anot bölmesindeki elektroda bağlı olarak büyüyen mikroorganizmalar, ortamdaki organik maddeleri, hidrojen iyonuna ve elektronlara dönüştürürler.

6. Kullanılan Malzemeler Çeşitli MFC düzeneklerinde kullanılan bileşenler ve bu bileşenlerin yapımında kullanılan malzemeler(Du,ve ark. 2007) Anot Grafit, grafit keçesi, karbon kağıt, karbon kumaş, Pt, örülmüş cam karbon (RVC) Esas bileşen Katot Grafit, grafit keçesi, karbon kağıt, karbon kumaş, Pt,, RVC Esas bileşen Proton değişim membranı Nafion, Ultrex, polietilen.poli (stiren-co-divinilbenzen); tuz köprüsü, porselen duvar veya sadece elektrolit Esas bileşen

7. Anot ve Katot Reaksiyonu Mikroorganizmalar Anot bölümünde bulunan elektrodun yüzeyi üzerinde büyüyen mikroorganizmalar, organik bileşikleri oksitleyerek hidrojen iyonu ve elektron oluştururlar. Biyokimyasal reaksiyonlar sonucu ortaya elektronlar bir direnç aracılığı ile anottan katoda doğru ilerleyerek elektrik akımı oluştururken, protonlar geçirgen membrandan katot bölmesine membran aracılığı ile geçerler. Katot bölmesine geçen protonlar burada bulunan oksijen ile birleşerek su oluştururlar. Katot bölmesine geçen pozitif yüklü protonların varlığı ile anot bölmesinde bulunan elektronlar katoda doğru çekilir ve böylece elektrik akımı oluşur (Du ve Li, 2007). Substrat olarak asetatın kullanıldığı tipik bir MYH’nin anot ve katot bölmesinde gerçekleşen reaksiyonlar: Anot bölmesi reaksiyonu:CH3COO- + 2H2O 2CO2 + 7H+ + 8e- Katot bölmesi reaksiyonu:O2 + 4e− + 4H+ 2H2O

8. MYH’deMikrobiyal Kültürler Mikrobiyal kültürlerin seçimi ve zenginleştirilmesi mikrobiyal yakıt hücrelerinin performansının optimizasyonunda önemlidir. Mikroorganizmalar ayrıca anot bölmesinde bulunan elektrotlara spesifik izole türler dışında karışık kültürler olarak da uygulanmaktadırlar. Genel kanı saf kültürler ile yapılan çalışmalarda elektrik üretiminin yüksek olduğu şeklindeydi fakat özellikle atık su arıtım uygulamalarında karışık kültürlerin kullanımı bunun tersine daha iyi sonuçlar vermekte olduğu görülmüştür (Kim ve ark., 2007). Mikrobiyal kültürler anot çözeltisi içerisinde süspansiyon halinde bulunabileceği gibi elektrot yüzeyine de immobilize edilebilmektedirler. Yapılan bir çalışmada grafit elektrot üzerine P. Vulgaris’inimmoblizasyonunun sistemin yanıt zamanını azalttığı gösterilmiştir (Allen ve Bennetto, 1993).

9. Elektron aktarım yolları Nanokablolar ile elektron aktarımı Elektron mekikleri ile elektron aktarımı Doğrudan elektron aktarımı

10. Mikroorganizmalar ve Substratlar • Nişasta • Glikoz • Asetat • Laktat • Melas • Ksiloz • Sükroz • Atıklar (Du ve ark, 2007; Logan, 2008) Actinobacillussuccinogenes Aeromonashydrophila Alcaligenesfaecalis Enterococcusgallinarum Pseudomonasaeruginosa Clostridiumbeijerinckii Clostridiumbutyricum Desulfovibriodesulfuricans Erwiniadissolven Escherichiacoli Geobactermetallireducens Geobactersulfurreducens Gluconobacteroxydans Klebsiellapneumoniae Lactobacillusplantarum Proteusmirabilis Rhodoferaxferrireducens Shewanellaoneidensis Shewanellaputrefaciens Streptococcuslactis

11. Farklı MYH Tasarımları H tipi / İki bölmeli MYH iki şişe arasındaki PEM olan sistemlerdir. Tek bölmeli MYH geniş fırça anot ve plaka katot içerir. Yukarı akışlı sabit yatak biyofilm reaktörü İç tarafında sıralı boru katot olan silindirik biyoreaktör Düz plaka tipi MYH iki karbon kağıt elektrot arasında PEM içeren sürekli çalışmaya uygun sistemlerdir.

12. Güç yoğunluğunu sınırlayan faktörler Güç: 0.3-3 mW/m2 Güç: 40 mW/m2 Sistem direnci: 66.92 Ω Sistem direnci: 1.756 Ω (URL1, 2012)

13. Atık Su Arıtımında MYH Kullanımı Mikrobiyal yakıt hücrelerinin atık su arıtımı için kullanılabileceği ilk olarak, Habermann ve Pommer (1991) tarafından ortaya atılmıştır (Du ve ark., 2007). Endüstriyel ve evsel atık sulardaki yoğun organik karbon içeriğinin kullanıldığı MYH sistemleri ile atık su arıtımı sağlanırken, diğer yandan elektrik enerjisi üretilebilmektedir. Atık su arıtım prosesi düşünüldüğünde, MYH kullanımının sağlayacağı bazı avantajlar olduğu görülmektedir: Atık suyun organik madde içeriği ve kolombik verime bağlı olarak bir akım oluşmaktadır yani ürün, elektrik formundadır. Havalandırmaya gereksinim duymaz bu da enerji ihtiyacını azaltır. Atık su arıtım tesislerinde biyolojik arıtım sırasında havalandırma için geniş yüzey alanı oluşturulmaya çalışılır ve çevreye atıkların kokusu dağılır. MYH sisteminde havalandırma gerekmediği için bu sorun da olmayacaktır (Logan, 2007). MYH kullanımı ayrıca metallerin geri kazanımınında da kullanılabilir (Yokoyama ve ark., 2006).

14. MYH sistemlerinin büyük ölçeklere uyarlanması atık su arıtım tesislerine entegrasyonu ile sağlanabilecektir. Atık su arıtım tesisinde mikrobiyal yakıt hücresi kurulumu (Rodrigo ve ark.’dan uyarlanmıştır, 2007)

16. Biyogazdan elektrik üretimi Yapılacak bir pilot tesisin 7.000 ton atık işleyerek 2.267.000 kWh/yıl elektrik üreteceği hesaplanmış (URL2) O halde tam kapasitede (231.779 ton bitkisel ve hayvansal atık) bu tesis 75 milyon kWh/yıl elektrik üretecektir. Bu durumda 4 kişilik bir ailenin yılda 3600 kWh elektrik tükettiği göz önüne alınırsa (kişi başı 900 kWh/yıl) atıklardan elde edilen enerji ile 83.400 kişinin elektrik ihtiyacı karşılanır. Ayrıca evsel atık, kanalizasyon atıkları, endüstriyel atıklar da kullanılabilir… 75.000.000 ton atıktan üretilen biyogazdan yıllık 1 ila 2 milyar m3 doğalgaz eşdeğeri gaz üretmek (ve biyogazı doğalgaza dönüştürmek) mümkündür. Türkiye'nin yıllık doğalgaz tüketimi 35 milyar m3 olduğuna göre, atıklardan biyogaz üretimi ile Türkiye doğalgaz ihtiyacının % 3 ila % 6'sı kadarı biyogazdan karşılanabilir (Erzincanlı, 2009).

17. MYH ile elektrik üretimi Şimdiye kadar elde edilen maksimum güç çıkışı nedir? Kesikli sisteme sahip MYH kullanarak PennStatelaboratuvarında, 1,5 W/m2 kadar elde güç elde edilmiştir. Sürekli sistemde MYH kullanarak, akan evsel atık su 15.5 W/m3 civarında değerler kaydedilmiştir. Bugün bir atık su arıtma tesisine MYH kurulacak olursa teorik olarak ne kadar güç üretilir? PennStatelaboratuvarının araştırmasına göre 100.000 kişi ya da büyük bir sanayi tesisine hizmet veren bir atık su arıtma tesisinden   500 eve yetecek kadar yani 0,8 MW civarında  güç üretilebileceği tahmin ediliyor. MYH atık su arıtımına katkısı nedir? Atık su kullanılan MYH'ler, mevcut atık su arıtma tesisiyle karşılaştırılabilir bir ölçüde organik madde giderimi sağlamaktadır (URL5). İstanbul nüfusu: 13.255.658 kişi (URL3) Kişi başı atık üretimi 1,28 kg/kişi-gün (atık eylem planı) Toplam katı atık 16.967.242 kg katı atık/ gün (>6 milyon ton/yıl) İstanbul’da atık su arıtım tesislerindeki toplam atık su 5.000.000 m3/gün (URL4)

18. SONUÇLAR Bir noktada bir ülkenin bağımsızlığı “artık kendi enerjisini karşılayabilme potansiyeli” ile belirlenmektedir (Ünalan, 2012). Bu nedenle enerji çalışmaları çok önemlidir. MYH ile elde edilen enerji sınırlı ve yüksek güç tüketen elektronik cihazların tüketimi için yeterli olmamaktadır. Büyük ölçeğe geçtiğinde elektrot büyüklüğü artsa da sabit güç üretimi sağlanamamaktadır (Devan ve ark., 2008). Elektronik cihazların güç gereksinimlerini sağlamak için kapasitör ile enerji saklandığı çalışmalar da mevcuttur (Donavan ve ark., 2008, Shantaram ve ark., 2005). Amaca uygun mikroorganizma seçilmeli ve mikroorganizmaların aklimatizasyonu sağlanabilmelidir. Proteomik ve metabolomik ile birlikte gelişen yeni sekanslama teknolojileri kullanılarak, mikrobiyal komuniteler üzerine çalışılmalıdır. Kullanılan katalizörlerin maliyetlerinin düşürülmesi, sistem veriminin arttırılması ile ilgili yeni malzeme ve sistem geliştirme çalışmaları sürdürülmelidir.

20. KAYNAKLAR Du, Z., Li, H., Gu, T. 2007. A state of art review on microbial fuel cells: A promisig technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnology Advances. 25:464–482. Logan, Bruce E., Bert Hamelers, René Rozendal, UweSchröder, Jürg Keller, Stefano Freguia, Peter Aelterman, Willy Verstraete, and KorneelRabaey., 2006. "Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology." Environmental Science & Technology 40.17: 5181-192. Logan, B., 2007. Microbial Fuel Cells. Wiley-Interscience, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, U.S.A. ISBN 978-0-470-23948-3. Alzate-Gaviria,L., 2011. Microbial Fuel Cells for Wastewater Treatment, Waste Water - Treatment and Reutilization. Chapter 8. 151-170p. Fernando SebastiánGarcíaEinschlag (eds). InTech, USA. ISBN: 978-953-307-249-4 Cha, J., Choi, S., Yu, H,, Kim, H., Kim, C., 2009. Directly applicable microbial fuel cells in aeration tank for wastewater treatment. Bioelectrochemistry. 78: 72–79. Ghangrekar, M. M., and V. B. Shinde. “Microbial Fuel Cell: A New Approach of Wastewater Treatment with Power Generation.” Paper presented at the International Workshop on R&D Frontiers in Water and Wastewater Management. Nagpur, India, 20–21 January 2006. Lu et al, 2008 Electricity generation from starch processing wastewater using microbial fuel cell technology Yokoyama, H., Ohmori, H., Ishida, M., Waki, M., Tanaka, Y., 2006. Treatment of cow-waste slurry by a microbial fuel cell and the properties of the treated slurry as a liquid manure. Animal Sci. J. 77: 634-638.

21. Chang, I., Jang, J., Gil, G., Kim, M., Kim, H., Cho, B., 2004. Continuous determination of biochemical oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor. BiosensBioelectron. 19: 607–613. Kim, J., Premier, G., Hawkes, F., Rodríguez, J., Dinsdale, R., Guwy, A., 2010. Modular tubular microbial fuel cells for energy recovery during sucrose wastewater treatment at low organic loading rate. Bioresour Technol.101: 1190–1198. Lee, H., Parameswaran, P., Kato-Marcus, A., Torres, C., Rittmann, B., 2008. Evaluation of energy conversion efficiencies in microbial fuel cells (MFCs) utilizing fermentable and nonfermentable substrates. Water Res.42: 1501–1510. Kılıç, A., Uysal, Y., Çınar, Ö., 2011. LaboratuvarÖlçekliBirMikrobiyalYakıtHücresindeSentetikAtıksudanElektrikÜretimi. PamukkaleÜniversitesiMühendislikBilimleriDergisi. 17: 43-49. Rodrigo, M.A., Canizares, P., Lobato, J., Paz, R., Saez, C., Linares,J.J.,2007. Production of electricity from the treatment of urban water using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources. 169:198-204. Logan, B. E., 2008. Microbial fuel cells. Chapter 12, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey. 182-185p. M.A. Rodrigo, CanizaresP., LobatoJ.,PazR. , SaezC., LinaresJ.J., 2007.Production of electricity from the treatment of urban wastewater using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources.169:198–204. Lu N., Shun-gui Zhou,Li Zhuang, Jin-tao Zhang, Jin-ren Ni, 2009. Electricity generation from starch processing wastewater using microbialfuel cell technology. Biochemical Engineering Journal. 43:246–251. Cheng S., Logan E.B., 2011. Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathodemicrobialfuelcells. BioresourceTechnology .102: 4468–4473 URL1: http://www.engr.psu.edu/ce/enve/logan/web_presentations/MFC-MECs-Bruce-Logan-1-2-08.pdf URL 2: http://www.biyogaz.org.tr/dosya/I.%20Donem_faaliyet_ozeti.pdf URL 3: http://www.ibb.gov.tr/sites/ks/trTR/IstanbulTanitim/konum/Pages/Nufus_ve_Demografik_Yapi.aspx URL 4: http://www.iski.gov.tr/Web/statik.aspx?KID=1001286 URL5: http://www.research.psu.edu/capabilities/documents/MFC_QandA.pdf