Bakteriyel tabanlı yeşil hidrojen üretimi

Son yıllarda dünya genelinde enerji tüketiminde artış yaşandı. Fosil yakıtların hem çevreye verdiği zarardan hem de giderek azalmasından ötürü, alternatif enerji kaynak arayışında artışlar gözlemlendi. Alternatif enerji kaynaklarından biri de Mikrobiyal Yakıt Hücreleri (MFC) dediğimiz mikrobiyal hücre temelli enerji kaynağıdır. Son yıllarda bu konu başlığı altında çeşitli laboratuvar ve pilot araştırmalar gerçekleştirilmiştir.¹

MFC’nin temel amacı hidrojen üretmek için atık sularda (yağış, konut atık suyu, endüstriyel atık suyu, tarımsal atık suyu) bulunan hücre dışı elektron transfer niteliğine sahip mikroorganizmalar yardımıyla atık sudan oksidasyon sırasında elde edilen elektronları sistemde bulunan anotlara taşırlar. 

MFC sistemi iki şekilde oluşur; tek odacıklı veya çift odacıklı MFC şeklinde oluşur. Tek odacıklı: Aynı kapta karşılıklı yerleştirilmiş anot ve katot bulunur. Katot malzemesini bir yüzü elektrolitle temas halindedir. Diğer yüzeyi havayla temas halindedir. Bu sistem tasarım ve ekonomik açıdan uygundur ancak sistem içinde mikropların karışması ve katottan anoda olması gereken akışın tersine dönmesi gibi durumlar gerçekleşir bu da sistemin dezavantajlarını ortaya çıkarır.

Çift odacıklı MFC: İki odacıktan oluşan sistemde bir kapta anot bulunurken diğer kapta katot bulunmaktadır. İki odacık arasında proton değişim membranı bulunur. Sistem anotta substrat kullanılır, katotta oksijen indirgenmesi gerçekleşir böylelikle elektrik üretilir. Mikroorganizmaların büyümesini teşvik etmek için anodik bölme anaerobik koşullarda tutulur. Protonlar, proton değişim membranı ile anodik bölmeden katodik bölmeye taşınır. Katodik bölme ise aerobik koşullarda çalışır; oksijen elektronları kabul ederek su oluşumuna neden olur. Bir önceki sisteme bakılarak en büyük avantajı akışın herhangi bir şekilde geri dönememesidir.

Elektron transferi iki şekilde gerçekleşebilir; doğrudan elektron transferi ya da aracılı elektron transferi.

Doğrudan elektron transferinde, mikroorganizmaların hücre zarı ile elektrot arasında fiziksel temas kurulur. Bu transfer, mikroorganizmaların dış yüzeyindeki dış membran sitokromları aracılığıyla gerçekleşir. Redoks aracı bu transfer sürecinde devreye girmez.

Elektron transfer yeteneğine sahip olmayan mikroorganizmalar aracı elektron sistemi ile transferi gerçekleştirir. Bu durumda redoks aracı devreye girer ve bakterilerden aldığı elektronu anota taşıma işlemi sırasında oksitler. Oksitlenen aracı daha sonra elektron transferi gerçekleştirebilir. 

İyi bir redoks aracı;

• Elektron transferini kolaylaştırmak için pozitif redoks potansiyeline
• Anolit içinde iyi çözünürlüğe
• Mikrop hücre zarını kolayca geçme yeteneğine
• Bakterilere karşı toksik olmayan özelliklere sahip olmalıdır.¹

Sonuç olarak MFC gelecek için yeşil hidrojen üretim alanında yeni bir alternatif olma yolunda ilerliyor ancak günümüzde yüksek maliyet ve düşük performanstan dolayı istenilen verim elde edilemiyor. Laboratuvar deneylerinde MFC sistemlerinin teorik değerinin altında kaldığı gözlemlenmiştir. Teorikte değerler 17-19 W/m² iken yapılan deneylerde bu değerin 1-3 W/m² güç yoğunluğuna ulaştığı görülmüştür.

Kaynaklar

1. Arun, J., SundarRajan, P., Pavithra, K. G., Priyadharsini, P., Shyam, S., Goutham, R., … & Pugazhendhi, A. (2024). New insights into microbial electrolysis cells (MEC) and microbial fuel cells (MFC) for simultaneous wastewater treatment and green fuel (hydrogen) generation. Fuel, 355, 129530.
2. https://www.drbioengineer.com/post/mikrobiyal-yak%C4%B1t-h%C3%BCcreler

Mehmet Ateş