Áramot termelő mikroökonómia?

Életünkben a mikroorganizmusok jelentős szerepet töltenek be – nélkülük szinte nem is létezhetünk. De élettani hatásukon kívül vajon milyen más szerepet töltenek bemindennapjaink során? A Budapesti Corvinus Egyetem Sör- és Szeszipari Tanszékéről dr. Nguyen Duc Quang docens és Szőllősi Attila PhD-hallgató tartott előadást a mikrobiális energiacellák kutatásáról, fejlesztéséről és lehetőségeiről.

Az ELTE Fizikai Intézet Anyagfizikai Tanszék, valamint a Nagyműszeres Kari Kutató és Műszer Centrum közös szemináriumsorozatának utolsó állomásában a biotechnológiába, ebbe a gyorsan fejlődő, rendkívül hasznos és sokszínű, a humán életminőség biztosítására és növelésére különböző biológiai rendszereket alkalmazó iparágba nyerhettünk bepillantást, mely tudományág a számítástechnika és telekommunikáció mellett az egyik leggyorsabban fejlődő szakterület. A Corvinus tanszékét 1991-ben alapították, és az elmúlt időszakban rendkívül dinamikusan fejlődött: mind létszámában, mind infrastruktúrájában annyira megerősödött, hogy rangos, nemzetközi szinten is elismert oktató és tudományos műhellyé vált.

Fő oktatási, kutatási területeik a sör és pálinka összetételének, szerkezetének, a bennük lezajlódó, például öregedési folyamatoknak a vizsgálata, valamint a gluténmentes sör kinyerése, az eredetvédett pálinkák előállításának nyomon követése, rendszerének kutatása, fejlesztése. Ezenkívül a funkcionális biotechnológia, amely többek között a szójatej alapú probiotikus élelmiszerek fejlesztésével, probiotikus étrendkiegészítők előállításával és bifidobaktériumok enzimtermelésének tanulmányozásával foglalkozik, valamint a fermentáció, amely egy kémiai folyamat, ahol valamilyen szerves anyagot egy enzim hatásának tesznek ki. Ezt más néven erjesztésnek hívják, és ezzel a módszerrel állítják elő a sört, a bort vagy az antibiotikumokat, mint például a penicillint.

A savanyított káposzta és a kovászos uborka szintén ezzel az eljárással készül. Továbbá a tanszék legfontosabb kutatási területének, az alternatív energiaforrások kifejlesztésével és fejlesztésével, azok minél korszerűbb felhasználási módjának a lehetőségeivel foglalkozik. Ezek közül is kiemelkednek a mikrobiális energiacellák felhasználására vonatkozó kutatások. Régóta ismert tudományos tény, hogy egyes mikroorganizmusok – megfelelő körülmények között – a szerves anyagok hasznosítása során képesek protonokat és elektronokat termelni.

A XXI. század egyik legfőbb problémája a fosszilis energiahordozók kimerülése, amely tény előtérbe helyezi egy majdani energiaválság elkerülhetetlen katasztrófáját is, így többek között a mikrobiális energiacellák (Microbial Fuel Cell, MFC) kutatása is előtérbe került. A mikrobákkal működtetett üzemanyagcellák a mikroorganizmusok katalitikus reakcióin keresztül alakítják át a kémiai energiát elektromos energiává – hasonlatosan a galvánelemekhez. Ebben a folyamatban a mikroorganizmusok katalizátorként működnek: a tápanyagot alakítják át elektronokká, protonokká, energiává és CO2-á.

Az így keletkezett kémiai energiát alakítja át az MFC elektromos energiává közvetítő anyagok vagy elektrokémiailag aktív mikrobák segítségével, mint amilyen például a „Shewanella oneidensis”. A cellák jellemzője, hogy folyamatos az energiatermelésük, nagy hatékonysággal működnek, nem tartalmaznak mozgó alkatrészeket, és rendkívül alacsony a környezetkárosító hatásuk. Felépítésüket tekintve tartalmaznak egy anód-, illetve katódteret, az ezt elválasztó protonszelektív membránt, valamint egy elektromos áramkört. Az anódtérben, ahol a mikroorganizmusok helyezkednek el, a jelenlevő tápanyagot (szubsztrátot) a mikrobák oxidálják, e folyamat eredményeképp elektronok és protonok keletkeznek.

Az így keletkezett elektronok az elektromos áramkörön keresztül jutnak a katódtérbe, a protonok pedig a szelektív membránon keresztül. Az így a katódtérbe került ionok és az oxigén reakciójából víz keletkezik. Alapvetően két fő csoportba soroljuk a mikrobiális energia-metabolizmust: légzés és fermentáció, vagyis aerob és anaerob. A mikrobák aerob körülmények között oxigént vagy nitrátot használnak végső eletronakceptorként, míg anaerob körülmények esetén az anód látja el a közvetítői funkciót. Az elektrontranszfer vonatkozásában alapvetően két típusát különböztetjük meg az MFC-knek: közvetítővel (mediator) ellátott MFC, és közvetítő nélküli MFC.

A legtöbb MFC elektrokémiailag inaktív, így az elektrontranszfer a mikrobiális cellától az elektródig csak bizonyos mediátorok segítségével valósul meg (például réz, palládium), amelyek legnagyobb többsége toxikus vagy drága, ezért gyakori például a grafit vagy fémbevonatú, konduktív polimerek használata. A mikrobákkal működtetett üzemanyag celláknak számos alkalmazási lehetőségük van, ezek közül elsősorban az elektromos áramtermelés emelkedik ki. Az MFC-ben bármely szerves anyag használható üzemanyagként, így könnyen telepíthetőek szennyvíztisztító telepekben is, ugyanis ez esetben a baktérium a szennyvízben lévő szerves anyagot használja föl, továbbá többletenergiával látja el a telepet. Ezenkívül az elszigetelt, infrastruktúrától távoli (például mélytengeri) mérőszenzorok energiaellátásában is fontos szerepet kap, valamint testen belüli műszereket, például egy pacemakert is működtethetnek.

Michael Kay