Only Perception: 燃料電池的新觀點：利用細菌產生電力

2008-01-08

燃料電池的新觀點：利用細菌產生電力

Life at the jolt: New insights into fuel cell that uses bacteria to generate electricity
http://www.physorg.com/news118589790.html

January 03, 2008

Biodesign Institute 的研究者利用地球上最小的生物「細菌」，成為一個可行的製造電力選項。一篇刊載於 Biotechnology and Bioengineering 期刊上的新研究中，第一作者 Andrew Kato Marcus 與同事 Cesar Torres 和 Bruce Rittmann 獲得關鍵性的洞見，將使得微生物燃料電池（microbial fuel cell，MFC）技術的商業化大有前途。

"我們能用任何種類的廢物，例如污水或豬糞，而微生物燃料電池將產生電力，" Marcus 說，公民與環境工程系畢業生，同時也是該研究所環境生物科技中心的成員。不同於傳統燃料電池，那依賴氫氣當作燃料來源，這種微生物燃料電池能利用各種基於水的有機燃料。

"有許多生質（biomass）到處存在，我們只不過將其視為「貯存在錯誤地方的能源」，" Bruce Rittmann 說，該中心主任。"我們能利用這些廢物，讓它們保持在正常的液態形式，但能讓細菌將能量轉換成對這個社會最有益的形式，電力。"

不浪費

細菌的差異性很大，因此研究者能找到某一菌種，能把任何廢棄成份當成它們每日飲食來處理。透過將細菌新陳代謝直接與電力生產連接在一起，MFC 消除了其他燃料電池技術所需之額外步驟。"我們希望與細菌一同研究，因為細菌能提供便宜的電力來源，" Marcus 說。

目前有許多類型的 MFC 反應器，以及遍及世界的研究團隊（http://microbialfuelcell.org/）。然而所有的反應器都共享相同的運作原理。所有的 MFC 都擁有一對類似電池的終端：陽極與陰極。電極連接至外部電路，而電解液能幫助導電。在陽極與陰極之間的電位差（電壓），讓電子流經電路，產生電力。

在 MFC 的第一步中，在陽極行呼吸作用的細菌（respiring bacterium）將有機廢物分解成二氧化碳，並將電子釋到陽極。接著，電子從陽極經由外部電路產生電能。最終，電子環繞一周之後回到陰極，在此它把氧與氫離子轉變成水。

基質是什麼？

"我們知道 MFC 程序相對較為穩定，不過最大的問題是：細菌如何讓電子到達陽極？" Marcus 說。

細菌依賴陽極過活。細菌在陽極藉由將電子傳遞到陽極來行呼吸作用，很像人類呼吸空氣。因為細菌的新陳代謝會用到陽極，因此它們在策略上會把自己擺在陽極表面形成一種稱為生物膜（biofilm）的細菌社群。

在生物膜當中的細菌會製造一種材料基質（matrix），所以它們能黏在陽極上。此生物膜基質富含可潛在傳送電子的物質。這種黏黏的生物膜基質是由胞外蛋白、糖與細胞所構成的複合物。這種基質亦證實含有細微且導電的奈米導線，那或許使電子傳送更加容易。

"我們的數值模型發展並支持這種構想：細菌基質是種導體，" Marcus 說。在電子學中，導體最常由銅這樣，很容易讓電流流過的材料製成。"在一個導電基質中，電子的移動是由電位（電勢）的變化所驅動。" 如同一條瀑布，在電位中所產生的電壓下降促使電子流動。

將生物膜基質視為導體，讓此團隊能將電子的傳遞描述成是由電位梯度所驅使。生物膜基質與陽極之間的關係，現在能由一個標準的電流方程式來描述：歐姆定律（Ohm's law）。

MFC 之中是一個複雜的生態系統，在此細菌活在一個自己所產生的基質中，那能夠導電。"整個生物膜的作用就如同陽極本身一樣，一個活生生的電極，" Marcus 說。"這也是為何我們稱之為「生物膜陽極」的緣故。"

活在顛簸

「生物膜陽極」的概念讓該團隊能描述電子從細菌到電極的傳送以及電位梯度。電位的重要性在傳統的燃料電池中眾所皆知，不過它與細菌新陳代謝之間的關聯就不太明瞭了。這個團隊所發展的下一個重要概念是了解細菌對於生物膜基質內電位的反應。

只要養份能充分供應，細菌就會成長。Jacques Monod，分子生物學先驅之一，發展出一個等式來描述這種關係。當該團隊認清 Monod 方程式對於浸在富含營養的湯（broth）中的重要性之後，挑戰就是將 Monod 等式應用到陽極（一種固體）上。

先前的研究證實當陽極的電位增加時，細菌在陽極新陳代謝的速率也會增加。現在研究者可將電位所扮演的角色與細菌營養湯所扮演的視為相同。該團隊確認，電位相等於電子的「濃度（concentration，集中）」；而電子正好是細菌傳遞到陽極的東西。

具備這種關鍵洞悉之後，該團隊開發出一種新模型，Nernst-Monod 方程式，來描述細菌新陳代謝速率對於「電子濃度」（電位）的回應。

滿足電位（potential）的希望

在他們的模型中，這個團隊確認三種控制 MFC 的關鍵變數：廢物（燃料）的總量、生質（biomass）在陽極上的累積、生物膜陽極當中的電位。這三種因素在 MFC 的研究裡是全新概念。

"將生物膜陽極當中的電位塑模，我們現在能掌握 MFC 如何運作及其原因。我們能預測我們可獲得多少電壓，以及如何藉由調校這些因素將電力輸出最大化，" Marcus 說。例如，該團隊已證明當生物膜的厚度適中時，生物膜能產生最多電流。

"若生物膜太厚，" Marcus 說，"電子得要走很遠才能到達陽極。另一方面，若生物膜太薄，其細菌數量不足以迅速從燃料產生電力。"

為了要獲得 MFCs 的利益，這個研究團隊利用其創新的模型將效能與電力輸出最佳化。這個計畫已由 NASA 與業界夥伴 OpenCEL 及 NZLegacy 所資助，安排了 MFC 的研發框架，以持續進行該技術的商業化。

※ 陽極的改良也是要透過奈米技術及材料科學。有了 MFC 許多機關單位與行業都可成為發電廠。

＊ Conduction-based modeling of the biofilm anode of a microbial fuel cell
http://www3.interscience.wiley.com/cgi-bin/abstract/114279965/ABSTRACT

Andrew Kato Marcus, Cesar I. Torres, Bruce E. Rittmann
Biotechnology and Bioengineering, Volume 98, Issue 6 ,
Pages 1171 - 1182, Published Online: 14 Jun 2007
doi: 10.1002/bit.21533