Günümüzde biyopiller; tıp, tarım ve akıllı teknolojiler gibi birçok alanda kendine yer edinmiştir. Düşük voltajda üretim kapasitelerine karşın enerji üretim kapsamında sürdürülebilir birer alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Fakat geleneksel biyopillerin kullanımında karşılaşılan bazı aksaklıklar araştırmacıları bu alanda iyileştirmeler yapmaya teşvik etmektedir.
Araştırmacılar tarafından yürütülen bir çalışmada insanın ince bağırsağındaki villus adındaki parmaksı yapılar taklit edilerek bakterilerle çalışan yeni nesil biyopiller geliştirilmiştir. Villusların; esnek yapıları, şekil ve davranışları itibariyle spor üretme özelliğine sahip Bacillus subtilis adı verilen bakteri türü kullanılarak biyoenerji üretimine uygun bir alternatif olduğu saptanmıştır.1
Villus yapısından ilham alan bu sistemin sağladığı çeşitli avantajlar bulunmaktadır. Bunlardan birisi biyopil içindeki bakteriye daha büyük yüzey alanı imkanı sağlayarak gelişme ve çoğalmasına imkan tanımasıdır. Araştırma yürütücüleri önceki çalışmalarında özellikle kağıt olmak üzere, kumaş, metal ve polimerler gibi çok çeşitli ortamlara sahip biyopil biçimleri incelemiştir. Bu malzemelerin her birinde ortaya çıkan en büyük kısıt, Bacillus subtilis bakterilerinin tutunup çoğalabilmesi için yeterli yüzey alanının sağlanamamasıdır. Yeni geliştirilen bu biyopil sisteminde ise villus yapıları taklit edilerek bakterilerin tutunabileceği 3 boyutlu alanlar sağlanmaktadır. Eski biyopillerde karşılaşılan bir başka sorun ise bakterilerin ürettikleri biyofilm tabakasının kağıt gibi gözenekli yapılarda birikerek besin aktarımında aksamalara yol açmasıdır. Bu da biyopil içindeki enerji kaynağı olan bakterilerin düzensiz büyümeleriyle sonuçlanmaktadır. Buna karşın insan doğasından ilham alarak geliştirilen villus tabanlı biyopillerde kısa difüzyon mesafesi sağlanarak besinlerin bakterilere ulaşmasındaki engeller azalmaktadır. Böylece biyofilm birikmesi sonucunda oluşacak tıkanmalar ortadan kaldırılmaktadır.
Geliştirilen biyopilin çalışma mekanizması
Biyopil ortamı olarak seçilen esnek polimer villus yapısının içine insan bağırsağına benzer yapıda Bacillus subtilis bakterileri yerleştirilir. Bu ortama besin akışı olduğu sürece bakteriler bu besini kullanarak elektrik enerjisi üretmektedir. Bakterilerin bulunduğu bu tabaka pilin anot bölmesini oluşturmakta ve esnek iyon değişim zarı sayesinde katottan ayrılarak elektrik akımı oluşmaktadır. Biyopil ortamına yeterli besin sağlanamadığında veya olumsuz çevre koşullarında ise bu bakteri türü yüksek dayanıma sahip, uzun süre depolanabilen endosporlar oluşturmaktadır. Endosporlar uyku halindeyken ortama besin veya atık su girişi olduğunda çok kısa sürede aktifleşip çimlenir ve otomatik olarak elektrik üretmeye başlar.1,2 Böylelikle kimyasal yakıtı elektriğe dönüştürmek için ekstra bir güce ihtiyaç duymadan sürdürülebilir bir sistem inşa edilmiştir.1
Yeni nesil biyopiller atık su arıtımında nasıl kullanılacak?
Atık su arıtımında yeni teknoloji biyopillerin kullanımının ilk adımı atık su borularına entegrasyon işlemidir. Bu yenilikçi biyopiller esnek yapıları sayesinde atık su borularına kolayca yerleştirilip uyum sağlayacaktır. Bir sonraki adımda ise biyopil ortamında bulunan Bacillus subtilis bakterileri, borudan geçen atık su içerisindeki organik maddeleri besin olarak tüketecek ve sonucunda elektrik enerjisi üretilebilecektir. Bakteriye gerekli besin sağlandığı takdirde cihazın 14 saat boyunca 0,75 Voltluk sabit elektrik çıkışı sunabileceği araştırmacılar tarafından öngörülmektedir.
Kaynaklar