3B yazdırılmış paslanmaz çelik anot ile bakteri bazlı biyopil

Taşınabilir cihazlar için kesintisiz, temiz ve çevreci güç kaynağına olan talep gün geçtikçe artmaktadır.¹ Hem bu arzı karşılayabilecek hem de dışarıdan enerji transferi yapmadan kendi kendine yetebilecek mikrobiyal yakıt hücreleri (MFC) umut vadeden alternatif bir teknoloji olarak görülmektedir.² MFC’lerin sahip olduğu bunca iyi özelliğe karşın bazı eksik yönleri de bulunmaktadır; beklenen güç performasyonunu karşılamaması, malzeme pahalılığı, alışılagelmiş yakıt hücresi üretim yöntemlerinin MFC’lere uygun olmaması gibi. Ayrıca, biyolojik unsurların elektrota tutunmasını ve biyofilmin gelişimini engelleyecek pürüzsüz yüzey ve elektrot ile biyofilm arasındaki elektron transferini engelleyecek pasif oksit tabakası da sorun olan diğer faktörlerdendir. Karşılaşılan bu engelleri aşmak için araştırmalar ve çeşitli iyileştirme çalışmaları yapılmaktadır.³

Bir biyopilin çalışması için üç temel bileşene ihtiyaç vardır. Negatif elektrot (anot), iyon dengesini sağlayan bir membran ve pozitif elektrot (katot). Elektrik akımı, bu iki elektrot arasında kurulan harici bir devre aracılığıyla elektronların akışı sayesinde oluşur.²

Bir MFC sistemi oluşturulurken elektrot malzemesi, sistem boyutu ve elektrik üretimi yapacak mikroorganizmanın türü göz önünde bulundurulmalıdır. Bu faktörlerden biri olan elektrik üretebilen bakteri seçiminde zorlu çevre koşullarına dayanabilmesi için endospor oluşturabilme yetisinin bulunması gerekmektedir. Bu sayede canlı biyokatalizörler, bulundukları zorlu koşullar altında direnç geliştirebilirler; aktif olamayacakları durumlarda kendilerini koruma altına alırlar ve ardından uygun koşullar sağlandığında tekrardan aktif hale gelebilirler.⁴

Biyopilin yapım sürecinde mikroorganizma türü seçiminin yanı sıra verimi etkileyen diğer faktörler ise elektrotun sahip olduğu yüzey ve malzeme yapısıdır. Yapılan çalışmalar doğrultusunda iki boyutlu yani pürüzsüz yüzeye sahip olan anot hücrelerin verimli olmadığı görülmüştür. Pürüzsüz elektrot yüzeyi olması elektron transferi yapacak biyofilm oluşumunu ve yüzeye tutunmasını zorlaştırmaktadır. Bu durum nedeniyle bakteriler besinlere ulaşamazlar ve metabolik atıklarını dışarıya atamazlar.³

Elhadad vd. tutunma sorununu gidermek için 3 boyutlu anot yüzeyinin kullanılmasını önermişlerdir. Bu gözenkli yapı sayesinde biyofilm oluşumu ve elektron transferinin artması beklenmektedir. Ayrıca kullanılacak 3 boyutlu yapı neticesinde bakterilere sağlanan geniş yüzey alanı ile elde edilen gücün daha fazla olacağı da öngörülmektedir.³

3 boyutlu anot malzemesi olarak maliyeti düşük ve biyouyumlu olması nedeniyle karbon veya polimer temelli malzemeler ilk deneme süreçlerinde tercih edilmiştir. Bu malzemeler, iyileştirilmiş yüzey alanına sahip olsalar bile düşük elektrik iletkenlikleri, kırılgan yapıları ve yüksek sıcaklıklara dayanamamaları sebebiyle MFC sistemlerinde kullanılması uygun değildir. Karşılaşılan bu zorlukları aşmak için, biyolojik ortama uygun özel anot malzemeleri ve bu malzemelerle uyumlu üretim yöntemlerinin geliştirilmesi gerekir. Paslanmaz çelik, elektriksel iletkenliği (1,4×10⁶ Sm^-1), mekanik mukavemeti, kimyasal kararlılığı ve kolay bulunabilir olması ile aranan özelliklere uyan iyi bir elektrot malzemesi olarak tercih edilir. Ancak paslanmaz çelik yapısı gereği pürüzsüz bir yüzeye sahiptir. Bu sorunu çözmek için Lazer Toz Yatak Füzyonu (LPBF) teknolojisi kullanılarak paslanmaz çeliğin mikro ölçekte hassas ve yüksek çözünürlüklü 3B baskısının yapılabilmesi sağlanmıştır. Bu yöntem ile 50 μm’nin altındaki yüzey özellikleri oluşturulabilir hale gelmiştir. LPBF ile üretilen paslanmaz çelik elektrotlar; gözeneklilik, mekanik dayanıklılık ve hassas ayarlanabilir pürüzlü yüzey ile bakteriler için tutunulabilir yüzey, biyofilm kararlılığı ve etkili bir elektron transferi imkanı sağlamaktadır.³

Metal elektrot kullanılmasıyla açığa çıkan ve genellikle elektron transferi için olumsuz olduğu düşünülen pasifleştirici oksit tabaka, elektroaktif bakteriler için ilk elektron havuzu olmaktadır. Lokalize mikrobiyal metabolizma oksidi, kademeli olarak bozunur ve altında bulunan metale doğrudan elektriksel temas gerçekleşir; bu da yük transfer verimliliğini artırır. Elektronlar biyofilmden toplandıktan sonra dış devre kapatılır; bu sayede korozyon en aza indirilerek elektrot bütünlüğü korunmuş olur. Ancak yapılan bu ön çalışma, elektrokimyasal kıyaslama ile sınırlı kalmıştır; bütün MFC sistemlerinde bu entegrasyon değerlendirilmemiştir ve ticari olarak uygulamaya geçilmemiştir.⁴

Bu çalışmada oluşturulan MFC yapısında, LPBF ile geliştirilmiş 316L paslanmaz çelik anotu ve dayanıklı endospor oluşturabilen Bacillus subtilis biyokatalizörü kullanılmıştır. Oluşturulan mikro ölçekli biyopilin geleneksel mikro ölçekli MFC’lerden 130 μW daha fazla güç ürettiği ve yüksek kararlılığa sahip olduğu gözlemlenmiştir. Altı yığın biyopil ile 1 mW güç üretilebildiği belirlenmiştir. Buna ek olarak kapasitör destekli enerji tamponlanmasının kullanılmasıyla 3,2 inç ince film transistörlü sıvı kristal ekrana güç sağlanabildiği ve pratikte uygulanabilir olduğu da kanıtlanmıştır.³

Sonuç olarak bu çalışma, elektroaktif bakterilerin pasifleştirici oksit tabakaları ile etkileşimini avantaja çevirerek hem verimli hem de dayanıklı bir yük transferi süreci sağlanabildiği ortaya konulmuştur. Böylece 3B yazdırılmış metalik yapıların biyofilm ile birlikte kullanılması, uzun ömürlü ve mikroelektronik sistemlerle uyumlu enerji üretimi için oldukça umut vaad etmektedir.

Gamze Özel

Kaynaklar

1. Velmurugan, K., Lingayat, A., Chandramohan, V. P., Balasubramanian, K., & Karunanidhi, S. (2024). A critical assessment on micro-blowers and pumps for different engineering applications. Sensors and Actuators A: Physical, 365, 114855.
2. Choi, S. (2015). Microscale microbial fuel cells: advances and challenges. Biosensors and Bioelectronics, 69, 8-25.
3. Elhadad, A., Gao, Y., Li, G., Yang, J., Liu, D., & Choi, S. (2025). Toward Sustainable, High‐Performance, and Scalable On‐Chip Biopower: Microbial Biobatteries with 3D‐Printed Stainless Steel Anodes and Spore‐Based Biocatalysts. Advanced Energy and Sustainability Research, 2500199.
4. https://techxplore.com/news/2025-07-stainless-steel-component-boosts-bacteria.html