Микробные топливные элементы

Микробный топливный элемент — это гальваническая ячейка, в которой анод заменяет кислород как конечный акцептор электронов в дыхании бактерий. Экзоэлектрогены окисляют органику — сточные воды, корневые выделения, почвенные гумины — и выгружают электроны на электрод; через нагрузку они уходят на катод, где восстанавливается кислород. Топливо — отходы, катализатор — биоплёнка, а электрическая цепь — самая честная часть конструкции.

Внеклеточный перенос электронов

Физическая задача неудобная: дыхание заканчивается на мембранном ферментном комплексе, а электрод находится снаружи клетки. Экзоэлектрогены решили её двумя способами. Геобактер строит наружномембранные многогемовые цитохромы и проводящие белковые нити, так что электроны передаются на поверхность и проводятся сквозь саму биоплёнку — клетки, зарывшиеся далеко от электрода, кормят его через слой. Шеванелла выделяет флавины, работающие диффундирующими челноками электронов. Проводящая биоплёнка — та странность, на которой всё держится: анод скорее живой провод, чем пластина, а запуск означает дать консорциуму самому отобраться на электрод, и это занимает недели. Поэтому электроды делают пористыми — войлок, графитовая пена: именно площадь поверхности, а не объём, определяет, сколько биоплёнки поместится.

Термодинамический потолок

Напряжение ячейки не может превысить зазор между двумя редокс-парами. При нейтральном pH пара ацетат/бикарбонат сидит около −0,29 В относительно стандартного водородного электрода, пара кислород/вода — около +0,82 В, так что даже идеальная ячейка упирается примерно в 1,1 В. Реальные ячейки на холостом ходу заметно ниже, а под нагрузкой выдают 0,3–0,5 В. Свою долю придерживает и бактерия: ниже потенциала, нужного её собственной дыхательной цепи, электроны наружу она не отдаст, поэтому потенциал анода снизу ограничен биологией. Да и топливо заранее полуокислено — в отходной органике на электрон приходится куда меньше энергии, чем в водороде; потому ток и дёшев, и низкосортен. Пока кислород просачивается в анодную камеру, часть субстрата сгорает напрямую, минуя цепь, — и кулоновский выход даже хороших систем заметно ниже единицы.

Почему мощность проваливается

Мощность пропорциональна квадрату напряжения, делённому на внутреннее сопротивление, — и именно в сопротивлении микробные ячейки проигрывают химическим. Электролит разбавлен и слаб омически; мембрана, переносящая протоны, строит градиенты pH; восстановление кислорода на катоде без благородного катализатора идёт вяло; а биоплёнка при всей проводимости добавляет сопротивление и ограничивает площадь электрода на объём реактора. Химические топливные элементы выдают порядка ватта на квадратный сантиметр, микробные — милливатты: разрыв примерно в тысячу раз. Он структурный, а не инженерный, и он задаёт честное позиционирование: микробные топливные элементы окупаются как очистка стоков, попутно возвращающая немного электричества, а не как электростанции. Отсюда и направление разработки: главные рычаги — катодная кинетика и омические потери, а не анодная микробиология. В уменьшенном масштабе та же капельница становится активом — см. биопитание интернета вещей; запущенный в обратную сторону процесс описан в микробном электросинтезе.