1. 개요
자연에서 발견되는 박테리아 상호 작용을 모방하여 전류를 유도하는 바이오 전기화학 시스템이다. 미생물 연료 전지는 세포의 박테리아에서 양극으로 이동하는 화학물질인 매개체를 이용하는 방법과 박테리아의 외막에 전기화학적으로 활성화된 단백질이 있어 직접 전자를 양극으로 전달하는 방법이 있다. 최근에는 미생물 연료 전지를 폐수 처리 과정에 활용하여 환경 폐기물을 처리하면서 전기를 생산해 내도록 하는 등 차세대 에너지 기술로 주목받고 있다.2. 정의
미생물 연료전지는 미생물을 촉매로 사용하여 화학 에너지를 전기 에너지로 전환 시키는 장치이다. 크게 양극, 음극, 양이온 교환막으로 구성된다. 양극에서는 산화반응이 일어나 산화전극이라고도 불리고 음극에서는 환원반응이 일어나 환원 전극이라고도 불린다. 양이온 교환막은 PEM이라고도 불리며(Proton Exchange Membrane) 환원반응이 일어나는 장소와 산화 반응이 일어나는 장소를 분리하고 산화반응에서 생성된 양성자를 환원반응조로 옮겨 pH 변화를 막고 에너지의 효율을 일정하게 유지시킨다. 미생물이 유기물을 분해함으로써 생긴 전자는 산화전극으로 전달되고 외부 도선을 통해 음극으로 이동하면서 전류를 생산한다.3. 역사
미생물을 사용하여 전기를 생산한다는 아이디어는 20세기 초반에 고안되었다. 미생물 연료 전지에 관한 본격적인 연구는 M.C 포터에 의해 1911년에 시작되었다. 포터는 사카로미세스 세레비시아에서 전기를 생산할 수 있었지만, 그의 작업은 좁은 적용범위를 가지고 있었다. 1931년 브라넷 코헨은 반쪽 미생물 연료전지를 만들었다. 이 연료전지는 직렬로 연결될 때 2밀리 암페어의 전류로 35볼트 이상을 생산해 낼 수 있었다. 델 듀카 등의 연구에서 클로스트리듐 부티리큠에 의한 포도당 발효에 의해 생성된 수소와 공기를 연료전지의 양극에서 반응물로 사용했다. 전지가 작동 했지만, 미생물에 의한 수소 생산의 불안정한 특성으로 인해 불안정했다. 2007년, 호주 퀸즐랜드 대학에서 양조장 폐수를 이용해 발전하는 프로토타입 MFC를 제작했다.4. 원리
미생물이 호기성 조건에서 설탕과 같은 물질을 섭취하면 이산화탄소와 물이 생성된다. 그러나 산소가 존재하지 않을 경우 아래의 식과 같이 이산화탄소, 양성자 및 전자가 생성된다.C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e-
미생물 연료 전지는 무기 매개체를 사용하여 세포의 전자 전달 사슬을 연결 하고 생성된 전자를 전달시킨다. 중재자는 외부 세포막과 세균 외부막을 가로지른다. 그 다음에, 그것은 보통 산소 또는 다른 중간체에 의해 흡수될 전자전달계로부터 전자를 방출하여 전극으로 전달한다. 이것은 혐기성 조건 하에서만 발생할 수 있다. 만약 산소가 존재한다면, 그것은 더 큰 전기 음성도를 가지기 때문에 전자가 전극으로 이동하지 않을 것이다. 따라서 중개자 및 효모와 같은 미생물은 글루코스 와 같은 기질이 첨가 된 용액에서 함께 혼합된다. 이 혼합물은 밀폐 된 반응조에 넣어 산소 유입을 막음 으로써 미생물이 혐기성 호흡을 하도록 만든다.
MFC의 두 번째 챔버에는 또 다른 용액과 양극과 연결된 음극이 있다. 회로를 완성하고 두 챔버를 연결하는 것은 염다리 또는 이온 교환막이다. 이온교환막은 양성자를 양극 반응조에서 음극 반응조로 통과시킨다.
산화 전극 반응조에서 환원된 매개체는 전자를 세포에서 전극으로 전달한다. 여기에서 중개자는 전자를 축적함에 따라 산화된다. 그런 다음 와이어를 통해 환원 전극으로 흐른다. 환원전극에서 전자들은 산소와 양성자와 반응하여 물을 생성한다.
5. 유형
1. 중재자가 있는 MFC대부분의 미생물 세포는 전기 화학적으로 비활성 상태이다. 미생물 세포에서 전극으로의 전자 이동은 싸이오닌, 메틸 바이올렛, 메틸 블루, 부식산, 뉴트럴 레드와 같은 매개체에 의해 촉진된다. 대부분의 이용 가능한 매개체는 비싸고 독성이 있다.
2. 중재자가 없는 MFC
매개체가 없는 미생물 연료 전지는 전기 화학적으로 활성인 박테리아를 사용하여 전자를 전극으로 전달한다. 전기 화학적으로 활동적인 세균 중에는 Shewanella putrefaciens, Aeromonas hydrophila 등이 있다. 일부 박테리아는 외부 막에있는 선모를 통해 전자 생성을 전달할 수 있다. 이 미생물 연료 전지는 폐수에서도 작동하며, 특정 식물에서 직접 에너지를 끌어낼 수 있다. 이 구성은 식물 미생물 연료 전지로 알려져 있다. 가능한 식물로는 유채 꽃, 코드 그라스, 쌀, 토마토, 루핀 및 조류가 있다.
3. 토양기반 미생물 전지
토양 기반 미생물 연료 전지에서 산화전극은 토양 내의 특정 깊이에 위치하며, 환원전극은 토양 상부에 놓여 공기에 노출된다. 토양은 자연적으로 MFC에 필요한 전자활성 박테리아를 포함하여 다양한 미생물들로 가득 차 있으며 식물 및 동물의 물질 붕괴로 인해 축적된 복잡한 당 및 기타 영양소로 가득하다. 또한, 토양에 존재하는 호기성 (산소 소비) 미생물은 실험용 MFC 시스템에서 사용되는 고가의 PEM 물질과 마찬가지로 산소 필터 역할을 한다. 토양 기반의 MFC는 과학 교실에서 인기있는 교육 도구가 되고 있다. 침전물 미생물 연료 전지 (SMFCs)가 폐수 처리 에 적용되었다. 간단한 SMFC는 폐수의 오염물질을 제거하는 동안 에너지를 생성 할 수 있다.
6. 적용
1. 발전모든 유기물은 미생물 연료전지의 연료로서 작용할 수 있다. 화학 공정폐수, 합성폐수나 축산 폐수 모두 MFC에서 전기를 생산하는데 사용되었다. MFC는 작은 규모에서도 작동할 수 있다. 가장 작은 크기의 MFC는전극 두께가 7 μm, 길이가 2cm이다.
2. BOD센서
미생물 연료전지에서 생성된 전류는 연료로 사용되는 폐수의 에너지 함량에 정비례한다. 이를 통해 MFC로 폐수의 용질 농도를 측정할 수 있다. 폐수의 농도는 일반적으로 생물학적 산소 요구량 (BOD)에 의해 결정된다. MFC의 연료로 사용되는 용질의 농도에 따라 실시간으로 변화하는 전류량을 통해 실시간으로 BOD량의 변화를 측정할 수 있다.