تولید برق با باکتری‌های‌ موجود در شکمبه‌ی گاو

توسط محقق ایرانی دانشگاه ایالتی «اوهایو»

«حمید ریسمانی یزدی»، پژوهشگر ایرانی دانشگاه ایالتی «اوهایو» با کشف باکتری‌هایی با قابلیت تجزیه‌ی ملکول‌های پیچیده‌ی سلولز در دستگاه گوارش گاو برای نخستین بار موفق به ابداع سیستم پیل سوختی میکروبی با قابلیت تولید برق از ضایعات سلولزی شد.

به گزارش ایسنا، سیستم پیل سوختی ابداعی ضمن این‌که می‌تواند به‌عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر، پاک و کارآمد برای تأمین الکتریسیته‌ی مورد نیاز سیستم‌های کنترل از دور و هم‌چنین در مناطق صعب‌العبور و دور از شبکه‌ی انتقال برق به‌کار می‌رود، چشم‌اندازی جذاب و امیدبخش در ساخت پالایشگاه‌های زیستی ترسیم می‌کند که در آن‌ها با بهره‌گیری از باکتری‌های کشف شده، از ضایعات و پسماند‌های آلی، برق، متان و هیدروژن تولید می‌شود.

به گفته‌ی این محقق جوان ایرانی، اگرچه پیش از این نیز محققان و گروه‌های تحقیقاتی دیگری موفق به طراحی پیل‌های سوختی میکروبی شده‌اند ولی در سیستم‌های موجود عمدتاً از ترکیب‌های ساده و درعین حال واجد ارزش خوراکی مثل قندهای ساده و نشاسته برای تولید برق استفاده می‌شود و این نخستین بار است که امکان تولید برق از تجزیه مولکول‌های پیچیده‌ی سلولز که به وفور در ضایعات کشاورزی و صنعتی وجود دارند، فراهم شده است.

«حمید ریسمانی یزدی»، دانشجوی دکترای مهندسی بیوتکنولوژی دانشگاه ایالتی «اوهایوی» آمریکا که سرپرستی این تحقیقات را بر عهده دارد اظهار داشت: در پیل سوختی جدید با استفاده از باکتری‌هایی که در شکمبه‌ی گاو کشف شده‌اند، سلولز حاصل از کاغذ باطله، محصول‌های چوبی و ضایعات گیاهی پس از برداشت محصول در مزارع، تجزیه و جریان برق تولید می‌شود.

وی خاطرنشان کرد: سلولز ترکیب شیمیایی پیچیده‌ای دارد که تنها معدودی از باکتری‌ها توانایی تجزیه آن را دارند و باکتری‌هایی که توانایی انتقال الکترون تولید شده از سوخت‌وساز سلولز به الکترود را داشته باشند تا حالا کشف نشده بود.

از آن‌جا که مجموعه‌ باکتری‌های موجود در شکمبه‌ی نشخوارکنندگان به‌عنوان بهترین تجزیه‌کنندگان سلولز تکامل یافته و توان کار در شرایط بی‌هوازی را دارند لذا برای استفاده در این روش مورد توجه قرار گرفتند که نتیجه‌ی بسیار خوبی نیز گرفته شد.

«ریسمانی یزدی» تصریح کرد: پیل‌های سوختی میکروبی یک فناوری جدید برای تولید انرژی‌های جایگزین و پایدار است که در آن با استفاده از باکتری‌های خاص به‌عنوان «کاتالیزور» برای تولید الکترون‌های آزاد از ضایعات کشاورزی و حتی فاضلاب جریان الکتریکی تولید می‌شود.

اهمیت این فناوری عدم تولید گازهای گلخانه‌ای و هم‌چنین استفاده از منابع آلی تجدیدپذیر و در نتیجه نامحدود است.

وی خاطرنشان کرد: یکی از مهم‌ترین منابع تجدید پذیر ضایعات سلولزی ناشی از کشاورزی و واحدهای صنعتی است که محققان زیادی در دانشگاه ‌«اوهایو» و سایر دانشگاه‌های آمریکا و دنیا برای تبدیل این ضایعات به ترکیبات آلی قابل استفاده تلاش می‌کنند ولی از نظر فنی و اقتصادی مشکلات زیادی در بهره‌گیری از آن‌ها وجود داشته است. در روش ابداعی ما انرژی شیمیایی نهفته در این ترکیبات، مستقیماً به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و لذا بدون هیچ احتراق و تولید آلاینده و با راندمانی بالا برق تولید می‌کند.

این روش خصوصاً در مناطقی که به‌دلیل سوانح طبیعی یا قرار داشتن در مناطق صعب‌العبور به شبکه‌ی برق وصل نیستند و هم‌چنین در سامانه‌های کنترل از دور که تعویض مکرر باتری در آن‌ها مشکل یا ناممکن است قابل استفاده است.

«ریسمانی یزدی» خاطرنشان کرد: در آینده قصد داریم یک پالایشگاه زیستی مثل پالایشگاه نفت بسازیم که ضایعات آلی (کشاورزی – صنعتی) و آب‌های دفعی وارد آن شده و انرژی الکتریکی، هیدروژن و متان از آن خارج می‌شود.

به گفته‌ی این محقق، سیستم پیل سوختی ابداعی در حال حاضر می‌تواند حداکثر 5/3 وات بر متر مکعب حجم آند، الکتریسته تولید کند که امیدواریم با پیشرفت‌هایی که در ادامه‌ی تحقیقات‌امان حاصل می‌شود، بازده‌ی آن‌را افزایش دهیم.

«ریسمانی یزدی» در ادامه درباره‌ی ساختار این پیل‌ سوختی میکروبی گفت: پیل سوختی از دو محفظه‌ی «آند» و «کاتد» تشکیل شده است. محفظه‌ی «آند» بی‌هوازی است که الکترون‌های حاصل از تجزیه‌ی سلولز در آن از طریق زنجیره‌ی انتقال الکترون به خارج از سلول انتقال می‌یابد.

این الکترون‌ها سپس مستقیماً یا به وسیله‌ی ناقلی به الکترودی از جنس گرافیت که در آند قرار گرفته منتقل شده و از آن‌جا از طریق یک مدار خارجی به کاتد می‌رود.

در عین حال یون‌های هیدروژن ناشی از سوخت‌وساز باکتری‌هایی نیز از طریق یک غشاء انتخابی به قسمت کاتد منتقل می‌شود که در این قسمت که هوازی است الکترون‌های ورودی از آند با یون‌های اکسیژن و هیدروژن در سطح الکترود کاتد که آن هم از جنس گرافیت است ترکیب و تشکیل آب می‌دهند. به این ترتیب چرخه‌ی پیل سوختی شکل می‌گیرد.

وی با اذعان به این‌که پیل سوختی میکروبی پیش از این نیز طراحی شده است، اظهار داشت: نکته‌ی بسیار حائز اهمیت این است که در این طرح توانسته‌ایم برای نخستین بار از ترکیب‌های سلولزی، جریان برق بگیریم در حالی که گروه‌های دیگر از ترکیبات خیلی ساده مثل قند و نشاسته که توسط خود انسان هم قابل استفاده است استفاده می‌کنند.

«ریسمانی یزدی» در پایان درباره‌ی علت بهره‌گیری از باکتری‌ها در پیل‌های سوختی و مزیت پیل‌های سوختی میکروبی نسبت به پیل‌های سوختی معمول گفت: در پیل‌های سوختی متعارف از هیدروژن به‌عنوان سوخت استفاده شده و بدین منظور کاتالیزور پلاتین را به‌کار می‌برند اما اگر بخواهیم مستقیماً از ترکیب‌های آلی مثل سلولز برای تولید الکتریسیته در پیل استفاده کنیم، کاتالیزورهای موجود توانایی شکستن آن‌ها را ندارند لذا باکتری‌ها به عنوان کاتالیزورهای زیستی بهترین گزینه خواهند بود.

چنین باکتری‌هایی ضمن این‌که باید توانایی شکستن چنین مولکول‌های پیچیده‌ای را داشته باشند، باید بتوانند به صورت مستقیم یا غیرمستقیم الکترون‌های تولید شده را به الکترود منتقل کنند.

این گزارش می‌افزاید «حمید ریسمانی یزدی»، پژوهشگر جوان ایرانی دانشگاه «اوهایو»، در سال 1357 در اصفهان به دنیا آمده و تحصیلات کارشناسی و کارشناسی ارشد را در رشته‌ی مهندسی کشاورزی (علوم دامی) در دانشگاه صنعتی اصفهان به پایان برده و از سال 1382 ( 2003 میلادی) تاکنون به‌عنوان محقق و دانشجوی دکترای بیوتکنولوژی (تولید انرژی‌های جایگزین) در دانشگاه ایالتی «اوهایو» فعالیت دارد.