미생물 연료 전지
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.
1. 개요
미생물 연료 전지(MFC)는 미생물의 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 20세기 초에 개념이 제시되었으며, 미생물을 이용해 전기를 생산하려는 연구가 진행되었다. MFC는 바이오애노드 및/또는 바이오캐소드를 사용하며, 유기물을 산화시켜 CO2, 양성자, 전자를 생성한다. 다양한 종류의 MFC가 개발되었으며, 매개체 기반 MFC, 매개체 없는 MFC, 미생물 전기 분해 전지(MEC), 토양 기반 MFC, 광합성 바이오필름 MFC, 나노다공성 막 MFC, 세라믹 막 MFC 등이 있다. MFC는 전력 생산, 교육, 바이오센서, 생물학적 복원, 폐수 처리 등 다양한 분야에 응용되고 있으며, 환경 정화에 기여할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 하지만 성능 최적화, 비용 효율적인 전극 재료 개발, MFC 규모 확대 등의 한계점을 극복하기 위한 연구가 진행 중이다.
더 읽어볼만한 페이지
- 연료전지 - 아연공기전지
아연공기전지는 아연을 음극, 공기 중 산소를 양극으로 사용하여 높은 에너지 밀도와 저렴한 재료 비용의 장점을 가지지만, 외부 환경에 민감하고 기술적 단점을 극복하기 위한 연구 개발이 진행 중이며, 다양한 분야에서 활용되는 전지이다. - 연료전지 - 연료전지 자동차
연료전지 자동차는 수소와 산소를 연료로 사용하여 전기 에너지를 발생시키는 연료 전지를 동력원으로 하는 자동차로, 다양한 종류가 있으며 여러 국가에서 개발 및 보급이 진행 중이지만, 수소 인프라 구축 등의 과제가 남아있다. - 재생 에너지 - 탄소 중립
탄소 중립은 인간 활동으로 발생하는 온실 기체 배출량을 최대한 줄이고 남은 양을 흡수, 제거하여 실질적인 배출량을 0으로 만드는 개념으로, 지구 온난화와 기후 변화에 대응하기 위한 전 세계적인 노력의 일환이다. - 재생 에너지 - 조력 발전
조력 발전은 조수 간만의 차를 이용해 전기를 생산하는 방식으로, 연료 없이 전력 공급이 가능하다는 장점이 있지만 초기 건설 비용이 높고 해양 생태계에 영향을 줄 수 있다는 단점도 있으며, 프랑스의 랑스 조력 발전소는 세계 최초이며 대한민국은 시화호 조력 발전소를 통해 세계 최대 규모의 조력 발전 설비를 갖추고 있다.
| 미생물 연료 전지 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 유형 | 생물 전기 화학 시스템 |
| 개발 현황 | 연구 개발 단계 |
| 작동 원리 | |
| 작동 원리 | 미생물이 유기물을 산화시켜 생성된 전자를 전극으로 전달하여 전기를 생산 |
| 산화 반응 (양극) | 유기물 + H₂O → CO₂ + H⁺ + e⁻ |
| 환원 반응 (음극) | O₂ + H⁺ + e⁻ → H₂O |
| 구성 요소 | |
| 양극 (Anode) | 미생물이 부착되어 유기물을 분해하는 전극 |
| 음극 (Cathode) | 산소 환원 반응이 일어나는 전극 |
| 전해질 | 이온 전달을 위한 용액 |
| 막 (선택 사항) | 양극과 음극 사이의 물질 이동을 제어 |
| 종류 | |
| 매개체 미생물 연료 전지 (Mediator MFC) | 미생물이 생산한 매개체를 이용하여 전자를 전달 |
| 비매개체 미생물 연료 전지 (Mediatorless MFC) | 미생물이 직접 전극으로 전자를 전달 |
| 미생물 전해조 (Microbial Electrolysis Cell, MEC) | 외부 전압을 사용하여 특정 물질을 생산 |
| 미생물 담수화 전지 (Microbial Desalination Cell, MDC) | 염분 제거와 에너지 생산을 동시에 수행 |
| 응용 분야 | |
| 전력 생산 | 폐수 처리 과정에서 전력 생산 |
| 바이오 센서 | 환경 모니터링 및 오염 감지 |
| 폐수 처리 | 유기물 제거 및 에너지 회수 |
| 담수화 | 해수 또는 염수로부터 담수 생산 |
| 장점 | |
| 환경 친화적 | 재생 가능한 에너지원 사용 |
| 에너지 효율 | 폐수 처리와 에너지 생산을 동시에 수행 |
| 다양한 기질 사용 가능 | 다양한 유기 폐기물 활용 |
| 단점 | |
| 낮은 전력 밀도 | 상업적 활용을 위한 추가 연구 필요 |
| 높은 초기 비용 | 전극 및 막 등의 재료 비용 |
| 미생물 관리 | 안정적인 성능 유지를 위한 미생물 군집 관리 필요 |
| 연구 개발 동향 | |
| 전극 재료 개발 | 효율적인 전자 전달을 위한 새로운 전극 재료 연구 |
| 미생물 군집 최적화 | 전력 생산 능력이 높은 미생물 군집 개발 |
| 시스템 효율 향상 | 전력 밀도 및 전체 시스템 효율 향상을 위한 연구 |
| 기타 | |
| MudWatt | 교육용 미생물 연료 전지 키트 MudWatt |
2. 역사
미생물을 사용하여 전기를 생산하려는 아이디어는 20세기 초에 구상되었다. 마이클 크레세 포터는 1911년에 이 주제를 시작했다.[5] 포터는 ''사카로미세스 세레비지애''로부터 전기를 생산하는 데 성공했지만, 이 연구는 거의 주목받지 못했다. 1931년, 바네트 코헨은 미생물 반 연료 전지를 만들었는데, 이를 직렬로 연결했을 때 단 2 밀리암페어의 전류로 35볼트 이상의 전압을 생산할 수 있었다.[6]
미생물 연료 전지(MFC)는 미생물의 작용을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 에너지 변환하는 장치이다.[11] 이러한 전기화학 전지는 바이오애노드 및/또는 바이오캐소드를 사용하여 구성된다. 대부분의 MFC는 양극(산화가 일어나는 곳)과 음극(환원이 일어나는 곳)을 분리하기 위해 막을 포함한다. 산화 과정에서 생성된 전자는 전극 또는 산화 환원 매개체 종으로 직접 전달되며, 음극으로 이동한다. 시스템의 전하 균형은 이온 막을 가로지르는 세포 내부의 이온 이동에 의해 유지된다. 대부분의 MFC는 CO2, 양성자 및 전자를 생성하기 위해 산화되는 유기 전자 공여체를 사용한다. 황 화합물 또는 수소와 같은 다른 전자 공여체도 보고되었다.[12] 음극 반응은 산소(O2)를 비롯한 다양한 전자 수용체를 사용한다. 연구된 다른 전자 수용체로는 환원에 의한 금속 회수,[13] 물에서 수소로의 전환,[14] 질산염 환원,[15][16] 및 황산염 환원이 있다.
DelDuca 외 연구진은 ''클로스트리디움 부티리쿰''에 의한 포도당의 발효로 생성된 수소를 수소-공기 연료 전지의 양극에서 반응물로 사용했다. 비록 전지는 작동했지만, 미생물에 의한 수소 생산의 불안정한 특성 때문에 신뢰할 수 없었다.[7] 이 문제는 1976년 스즈키 외 연구진에 의해 해결되었고,[8] 1년 후 성공적인 MFC 설계를 만들었다.[9]
1970년대 후반에는 미생물 연료 전지가 어떻게 작동하는지에 대한 이해가 부족했다. 로빈 M. 앨런과 이후 H. 피터 베네토가 이 개념을 연구했다. 사람들은 이 연료 전지를 개발도상국을 위한 전력 생산의 가능한 방법으로 보았다. 1980년대 초부터 시작된 베네토의 연구는 연료 전지가 어떻게 작동하는지에 대한 이해를 돕는 데 기여했으며, 그는 많은 사람들에게 이 분야의 최고 권위자로 여겨졌다.
2007년 5월, 퀸즐랜드 대학교는 포스터스 그룹(Foster's Group)과의 협력을 통해 시제품 MFC를 완성했다. 10L 규모의 이 시제품은 양조장 폐수를 이산화탄소, 깨끗한 물, 전기로 변환했다. 이 그룹은 곧 열릴 국제 바이오에너지 컨퍼런스를 위해 파일럿 규모의 모델을 만들 계획이었다.[10]
3. 정의
3. 1. 작동 원리
미생물의 작용에 의해 화학 에너지를 전기 에너지로 에너지 변환하는 장치가 미생물 연료 전지(MFC)이다.[1] 대부분의 MFC는 양극(산화가 일어나는 곳)과 음극(환원이 일어나는 곳)을 분리하기 위해 막을 포함한다. 산화 과정에서 생성된 전자는 전극 또는 산화 환원 매개체 종으로 직접 전달된다. 전자는 음극으로 이동하며, 시스템의 전하 균형은 이온 막을 가로지르는 세포 내부의 이온 이동에 의해 유지된다. 대부분의 MFC는 이산화탄소(CO2), 양성자 및 전자를 생성하기 위해 산화되는 유기 전자 공여체를 사용한다. 황 화합물 또는 수소와 같은 다른 전자 공여체도 보고되었다.[12] 음극 반응은 다양한 전자 수용체를 사용하며, 가장 흔한 것은 산소(O2)이다. 연구된 다른 전자 수용체로는 환원에 의한 금속 회수,[13] 물에서 수소로의 전환,[14] 질산염 환원,[15][16] 및 황산염 환원이 있다.
미생물이 호기성 조건에서 설탕과 같은 물질을 소비하면 이산화 탄소와 물을 생성한다. 그러나 산소가 없을 때는 이산화 탄소, 수소 이온 및 전자를 생성할 수 있다.[65]
:C12H22O11 + 13H2O → 12CO2 + 48H+ + 48e−
미생물 연료 전지는 세포의 전자 전달계를 활용하고 생성된 전자를 배출하기 위해 무기 매개체를 사용한다. 매개체는 세포 외부 지질 막과 세균 외막을 통과한 다음, 일반적으로 산소 또는 다른 중간체에 의해 흡수될 전자 전달계에서 전자를 방출하기 시작한다.
환원된 매개체는 전자를 싣고 세포를 빠져나와 전극으로 전달한다. 이 전극은 양극이 된다. 전자의 방출은 매개체를 원래의 산화 상태로 재활용하여 과정을 반복할 준비를 한다. '''이는 혐기성 조건에서만 발생할 수 있다'''. 산소가 존재하면 더 많은 연소로 방출할 자유 에너지가 있기 때문에 전자를 수집한다.
특정 박테리아는 세포 외 전자 전달(EET)로 알려진 특수한 전자 전달 경로를 사용하여 무기 매개체의 사용을 우회할 수 있다. EET 경로는 미생물이 세포 외부의 화합물을 직접 환원할 수 있게 하며, 양극과의 직접적인 전기화학적 통신을 가능하게 한다.[66]
MFC 작동에서 양극은 양극 챔버의 박테리아가 인식하는 최종 전자 수용체이다. 따라서 미생물 활성은 양극의 산화 환원 전위에 크게 의존한다. 아세테이트 구동 MFC의 양극 전위와 전력 출력 사이에서 미카엘리스-멘텐 곡선이 얻어졌다. 임계 양극 전위는 최대 전력 출력을 제공하는 것으로 보인다.[67]
잠재적인 매개체에는 천연 적색, 메틸렌 블루, 티오닌 및 레조루핀이 포함된다.[68]
전류를 생성할 수 있는 유기체를 외부 전자 생성 미생물이라고 한다. 이 전류를 사용 가능한 전기로 바꾸려면 외부 전자 생성 미생물을 연료 전지에 수용해야 한다.
매개체와 효모와 같은 미생물을 용액에 혼합한 다음 포도당과 같은 기질을 첨가한다. 이 혼합물을 밀폐된 챔버에 넣어 산소의 유입을 막아 미생물이 혐기성 호흡을 하도록 한다. 전극은 용액에 넣어 양극 역할을 한다.
MFC의 두 번째 챔버에는 또 다른 용액과 양전하를 띤 음극이 있다. 이는 생물학적 세포 외부의 전자 전달계의 끝에 있는 산소 싱크와 같다. 이 용액은 음극에서 전자를 수집하는 산화제이다. 효모 세포의 전자 사슬과 마찬가지로 산소와 같은 다양한 분자가 될 수 있지만, 더 편리한 옵션은 부피가 적은 고체 산화제이다.
두 전극을 연결하는 것은 전선(또는 다른 전도성 경로)이다. 회로를 완성하고 두 챔버를 연결하는 것은 염다리 또는 이온 교환 막이다.
환원된 매개체는 세포에서 전극으로 전자를 운반한다. 여기서 매개체는 전자를 증착함에 따라 산화된다. 그런 다음 이들은 전선을 통해 전자 싱크 역할을 하는 두 번째 전극으로 흐른다. 여기에서 산화 물질로 전달된다. 또한 수소 이온/양성자는 나피온과 같은 양성자 교환막을 통해 양극에서 음극으로 이동한다. 이들은 낮은 농도 기울기로 이동하여 산소와 결합하지만, 이를 위해서는 전자가 필요하다. 이렇게 하면 전류가 생성되고 수소가 농도 기울기를 유지하는 데 사용된다.
조류 바이오매스는 미생물 연료 전지의 기질로 사용될 때 높은 에너지를 생성하는 것으로 관찰되었다.[69]
4. 종류
미생물 연료 전지(MFC)는 작동 방식과 사용되는 재료에 따라 다양한 종류로 분류된다.
매개체 기반 MFC는 미생물 세포에서 전극으로 전자를 전달하기 위해 티오닌, 피오시아닌,[41] 메틸 바이올로젠, 메틸 블루, 휴믹산, 뉴트럴 레드와 같은 매개체를 사용한다.[42][43] 하지만, 시판되는 매개체는 대부분 비싸고 독성이 있다.
매개체 없는 MFC는 ''Shewanella putrefaciens''[44], ''Aeromonas hydrophila''[45]와 같이 전기화학적으로 활성인 세균을 이용하여 전자를 직접 전극으로 전달한다. 일부 박테리아는 필리를 통해 전자를 전달하기도 한다. 매개체 없는 MFC는 사용되는 박테리아 균주, 이온 교환 막 유형, 온도, pH 등에 따라 특성이 달라진다. 폐수에서 작동하거나, 갈대, 갯개미취, 벼, 토마토, 루피너스, 조류 등 특정 식물과 O2로부터 직접 에너지를 얻는 식물 미생물 연료 전지(PMFC)가 여기에 속한다.[46][47][48]
미생물 전기 분해 전지(MEC)는 매개체 없는 MFC의 한 종류로, MFC와 달리 전압을 가해 수소나 메탄을 생성한다.[49][50] 이와 반대로, 미생물 전기 합성은 외부 전류를 이용해 이산화 탄소를 환원시켜 다탄소 유기 화합물을 만든다.[51]
토양 기반 MFC는 토양이 양극 매체, 접종원, 양성자 교환막(PEM) 역할을 한다. 양극은 토양 내에, 음극은 토양 위에 놓여 공기에 노출된다. 토양은 전기 생성 박테리아를 포함한 다양한 미생물과 영양소가 풍부하며, 호기성 생물은 산소 필터 역할을 하여 토양의 산화 환원 전위를 감소시킨다. 토양 기반 MFC는 과학교육 도구로 활용되며,[52] 폐수 처리에 적용되는 퇴적물 미생물 연료 전지(SMFC)는 폐수를 정화하며 에너지를 생성한다. 2015년에는 150L 이상 규모의 SMFC 테스트 결과가 발표되었다.[53]
2015년에는 SMFC를 이용한 에너지 추출 및 배터리 충전 기술이 발표되었다. 염은 물에서 이온으로 해리되어 전극에 부착, 배터리를 충전하고 염을 제거한다. 미생물은 담수화에 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산한다.[54] 2020년, 유럽 연구 프로젝트는 0.5kWh/m3의 에너지 소비로 해수를 담수화하는 데 성공했는데, 이는 기존 기술보다 에너지 소비를 85% 줄인 것이다. 또한, 생물학적 과정은 잔류수를 정화하여 환경 배출 또는 농업/산업용으로 사용하게 한다. 이는 스페인 데니아의 Aqualia 담수화 혁신 센터에서 달성되었다.[55]
녹조류와 남세균 같은 광합성 바이오필름 양극을 사용하는 광합성 바이오필름 MFC는 광합성을 통해 유기 대사 물질을 생성하고 전자를 방출한다.[56] 한 연구에서는 PBMFC가 실용적 적용에 충분한 전력 밀도를 보였다.[57] 양극에서 산소를 생성하는 광합성 물질을 사용하는 광합성 MFC는 생물 광전지 시스템이라고도 불린다.[58]
미국 해군 연구소는 나일론, 셀룰로스, 폴리카보네이트와 같은 비다공성 고분자 필터인 나노다공성 막을 사용하여 세포 내 수동 확산을 생성하는 MFC를 개발했다.[59] 이 막은 나피온과 비슷한 전력 밀도를 가지면서 내구성이 더 뛰어나다. 다공성 막은 수동 확산을 통해 PEM 유지에 필요한 전력을 줄여 에너지 출력을 높인다.[60] 막이 없는 MFC는 호기성 환경에서 혐기성 박테리아를 사용할 수 있지만, 음극 오염 문제가 있다. 나노다공성 막은 이러한 문제없이 막이 없는 MFC의 장점을 얻을 수 있으며, 나피온보다 11배 저렴하다(나피온-117: 0.22USD/cm2, 폴리카보네이트: 0.02USD/cm2).[61]
세라믹 막은 5.66USD/m2까지 비용을 낮출 수 있으며, 거대 기공 구조는 이온 수송에 유리하다.[62] 토기, 알루미나, 멀라이트, 엽납석, 테라코타 등이 세라믹 MFC에 사용된다.[62][63][64]
4. 1. 매개체 기반 MFC
대부분의 미생물 세포는 전기화학적으로 비활성이다. 미생물 세포에서 전극으로의 전자 전달은 티오닌, 피오시아닌,[41] 메틸 바이올로젠, 메틸 블루, 휴믹산, 뉴트럴 레드와 같은 매개체를 통해 촉진된다.[42][43] 대부분의 시판 매개체는 비싸고 독성이 있다.4. 2. 매개체 없는 MFC
매개체가 없는 미생물 연료 전지는 ''Shewanella putrefaciens''[44] 및 ''Aeromonas hydrophila''[45]와 같은 전기화학적으로 활성인 세균을 사용하여 세균의 호흡 효소에서 전극으로 전자를 직접 전달한다. 일부 박테리아는 외부 막에 있는 필리를 통해 전자 생성을 전달할 수 있다. 매개체가 없는 MFC는 시스템에 사용되는 박테리아의 균주, 이온 교환 막의 유형 및 시스템 조건(온도, pH 등)과 같이 특성이 잘 알려져 있지 않다.
매개체가 없는 미생물 연료 전지는 폐수에서 작동할 수 있으며 특정 식물과 O2로부터 직접 에너지를 얻을 수 있다. 이 구성을 식물 미생물 연료 전지라고 한다. 가능한 식물로는 갈대, 갯개미취, 벼, 토마토, 루피너스 및 조류가 있다.[46][47][48] 살아있는 식물을 사용하여 전력을 얻는다는 점(''in situ'' 에너지 생산)을 감안할 때, 이 변형은 생태학적 이점을 제공할 수 있다.
4. 3. 미생물 전기 분해 전지 (MEC)
매개체 없는 미생물 연료 전지(MFC)의 한 변형은 미생물 전기 분해 전지(MEC)이다. MFC가 물속 유기 화합물의 박테리아 분해로 전류를 생성하는 반면, MEC는 전압을 박테리아에 가하여 수소 또는 메탄을 생성하기 위해 과정을 부분적으로 반전시킨다. 이는 유기물의 미생물 분해로 생성된 전압을 보완하여 물의 전기 분해 또는 메탄 생산으로 이어진다.[49][50] MFC 원리의 완전한 역전은 외부 전류를 사용하여 박테리아에 의해 이산화 탄소가 환원되어 다탄소 유기 화합물을 형성하는 미생물 전기 합성에서 발견된다.[51]4. 4. 토양 기반 MFC
토양 기반 미생물 연료 전지(MFC)는 기본적인 MFC 원리에 따라 작동하며, 토양은 영양분이 풍부한 양극 매체, 접종원 및 양성자 교환막(PEM) 역할을 한다. 양극은 토양 내 특정 깊이에 배치되고, 음극은 토양 위에 놓여 공기에 노출된다.
토양은 자연적으로 MFC에 필요한 전기 생성 박테리아를 포함하여 다양한 미생물로 가득하며, 식물과 동물의 부패로부터 축적된 복잡한 당과 기타 영양소로 가득하다. 또한, 토양에 존재하는 호기성 생물(산소 소비) 미생물은 실험실 MFC 시스템에서 사용되는 고가의 PEM 재료와 유사하게 산소 필터 역할을 하며, 이는 토양의 산화 환원 전위를 깊이에 따라 감소시킨다. 토양 기반 MFC는 과학 교실에서 인기 있는 교육 도구가 되고 있다.[52]
퇴적물 미생물 연료 전지(SMFC)는 폐수 처리에 적용되어 왔다. 간단한 SMFC는 폐수를 정화하면서 에너지를 생성할 수 있다. 이러한 SMFC의 대부분은 인공 습지를 모방하기 위해 식물을 포함한다. 2015년까지 SMFC 테스트는 150L 이상에 도달했다.[53]
2015년에 연구자들은 에너지 추출 및 배터리 충전을 위한 SMFC 응용 프로그램을 발표했다. 염은 물에서 양전하 및 음전하 이온으로 해리되어 각각의 음극 및 양극 전극으로 이동하여 부착되어 배터리를 충전하고 미생물 용량성 담수화에 영향을 미치는 염을 제거할 수 있게 한다. 미생물은 담수화 과정에 필요한 것보다 더 많은 에너지를 생산한다.[54] 2020년, 유럽 연구 프로젝트는 0.5kWh/m3의 에너지 소비로 인간 소비를 위한 해수를 담수화하는 데 성공했으며, 이는 최신 담수화 기술에 비해 현재 에너지 소비를 85% 줄인 것이다. 또한, 에너지를 얻는 생물학적 과정은 동시에 환경으로의 배출 또는 농업/산업적 사용을 위해 잔류수를 정화한다. 이는 2020년 초 스페인 데니아에 Aqualia가 개설한 담수화 혁신 센터에서 달성되었다.[55]
4. 5. 광합성 바이오필름 MFC
녹조류와 남세균 같은 광합성 미생물을 포함하는 광합성 바이오필름 양극을 사용한다. 이들은 광합성을 통해 유기 대사 물질을 생성하고 전자를 내놓는다.[56]한 연구에 따르면 PBMFC는 실용적인 적용에 충분한 전력 밀도를 보인다.[57]
양극에서 순수하게 산소를 생성하는 광합성 물질을 사용하는 광합성 MFC의 하위 범주는 때때로 생물 광전지 시스템이라고 불린다.[58]
4. 6. 나노다공성 막 MFC
미국 해군 연구소는 비-PEM을 사용하여 세포 내에서 수동 확산을 생성하는 나노다공성 막 미생물 연료 전지를 개발했다.[59] 이 막은 나일론, 셀룰로스, 또는 폴리카보네이트와 같은 비다공성 고분자 필터이다. 이 막은 나피온(잘 알려진 PEM)과 비슷한 전력 밀도를 제공하며 내구성이 더 뛰어나다. 다공성 막은 수동 확산을 허용하여 PEM을 활성 상태로 유지하기 위해 MFC에 공급해야 하는 전력을 줄이고 총 에너지 출력을 증가시킨다.[60]막을 사용하지 않는 MFC는 호기성 환경에서 혐기성 박테리아를 사용할 수 있다. 그러나 막이 없는 MFC는 토착 박테리아와 전력을 공급하는 미생물에 의한 음극 오염을 겪는다. 나노다공성 막의 새로운 수동 확산은 음극 오염에 대한 걱정 없이 막이 없는 MFC의 장점을 달성할 수 있다. 나노다공성 막은 또한 나피온보다 11배 저렴하다 (나피온-117, 0.22USD/cm2 대 폴리카보네이트, 0.02USD/cm2).[61]
4. 7. 세라믹 막 MFC
세라믹 막의 비용은 5.66USD/m2까지 낮출 수 있다. 세라믹 막의 거대 기공 구조는 이온 종의 우수한 수송을 가능하게 한다.[62]세라믹 MFC에서 성공적으로 사용된 재료는 토기, 알루미나, 멀라이트, 엽납석, 테라코타이다.[62][63][64]
5. 응용 분야
미생물 연료 전지(MFC)는 미생물의 대사 활동을 이용하여 전기를 생산하고 오염 물질을 분해하는 독특한 능력을 가지고 있어 환경 정화에 유망한 기술로 주목받고 있다.[70] MFC는 환경 정화와 관련하여 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
MFC는 생물 정화에 활용될 수 있는데, MFC 양극의 전기 활성 미생물이 유기 오염 물질 분해에 직접 참여하여 지속 가능하고 효율적인 오염 물질 제거 방법을 제공한다. 또한 MFC는 폐수 처리에 중요한 역할을 하는데, 오염 물질의 미생물 분해를 통해 수질을 개선하면서 동시에 전기를 생산할 수 있다. 이러한 연료 전지는 오염된 지역에 현장 설치(in situ)가 가능하여 지속적이고 자율적인 정화가 가능하다.
MFC의 활용성은 퇴적물에서 중금속과 영양분을 제거할 수 있는 퇴적물 미생물 연료 전지(SMFC)로 확장된다.[71] MFC를 센서와 통합하면, 접근이 어려운 위치에서도 원격 환경 모니터링이 가능하다. 미생물 연료 전지는 오염 물질을 재생 에너지원으로 변환하는 동시에 생태계 복원 및 보존에 기여할 수 있는 잠재력을 보여준다.
5. 1. 전력 생산
미생물 연료 전지(MFC)는 낮은 전력만 필요로 하지만 배터리 교체가 비실용적인 무선 센서 네트워크와 같은 전력 생산 응용 분야에 매력적이다.[17][18][19] 미생물 연료 전지로 구동되는 무선 센서는 예를 들어 원격 모니터링(보존)에 사용될 수 있다.[20]거의 모든 유기 물질을 연료 전지에 공급하는 데 사용할 수 있으며, 하수 처리장에 전지를 연결하는 것도 포함된다. 화학 공정 폐수[21][22]와 합성 폐수[23][24]는 이중 및 단일 챔버 매개체 없는 MFC(코팅되지 않은 흑연 전극)에서 생체 전기를 생산하는 데 사용되었다.
바이오필름으로 덮인 흑연 양극에서 더 높은 전력 생산이 관찰되었다.[25][26] 연료 전지 배출은 규제 한계치보다 훨씬 낮다.[27] MFC는 표준 내연 기관보다 에너지를 더 효율적으로 변환하며, 이는 카르노의 정리에 의해 제한된다. 이론적으로 MFC는 50%를 훨씬 넘는 에너지 효율을 낼 수 있다.[28] Rozendal은 기존의 수소 생산 기술보다 8배 적은 에너지 투입으로 수소를 생산했다.
MFC는 더 작은 규모에서도 작동할 수 있다. 어떤 경우에는 전극이 2cm 길이로 두께가 7μm에 불과할 필요가 있으므로[29] MFC가 배터리를 대체할 수 있다. MFC는 재생 가능한 형태의 에너지를 제공하며 재충전할 필요가 없다.
MFC는 20°C에서 40°C 사이의 완만한 조건과 약 7의 pH에서 잘 작동하지만[30] 심장 박동기와 같은 장기적인 의료 응용 분야에 필요한 안정성이 부족하다.
발전소는 조류와 같은 수생 식물을 기반으로 할 수 있다. 기존의 전력 시스템에 인접하여 설치하는 경우 MFC 시스템은 전력선을 공유할 수 있다.[31]
5. 2. 교육
토양 기반 미생물 연료 전지는 미생물학, 지구화학, 전기 공학 등 여러 과학 분야를 포괄하며, 토양 및 냉장고에서 흔히 구할 수 있는 재료로 만들 수 있어 교육 도구로 사용된다. 가정 과학 프로젝트 및 교실용 키트도 판매된다.[52] 교실에서 미생물 연료 전지가 사용되는 한 가지 예는 토머스 제퍼슨 과학 기술 고등학교의 IBET(통합 생물학, 영어 및 기술) 커리큘럼이다. 또한 '''국제 미생물 전기화학 및 기술 학회'''(International Society for Microbial Electrochemistry and Technology, ISMET Society)에서 여러 교육 비디오와 기사를 제공한다.[32]5. 3. 바이오센서
미생물 연료 전지에서 생성되는 전류는 연료로 사용되는 폐수의 유기물 함량에 정비례한다. 미생물 연료 전지(MFC)는 폐수의 용질 농도를 측정할 수 있어 바이오센서로 활용된다.[33]폐수는 일반적으로 생물학적 산소 요구량(BOD) 값으로 평가된다. BOD 값은 적절한 미생물원(일반적으로 폐수 처리장에서 수집한 활성 슬러지)과 함께 5일 동안 샘플을 배양하여 결정된다.
MFC 유형의 BOD 센서는 실시간 BOD 값을 제공할 수 있다. 산소와 질산염은 양극보다 선호되는 전자 수용체로 작용하여 MFC의 전류 생성을 감소시키며, 이는 MFC BOD 센서가 BOD 값을 과소평가하게 만든다. 이러한 현상은 시안화물 및 아자이드와 같은 최종 산화 효소 억제제를 사용하여 MFC에서 호기성 및 질산염 호흡을 억제함으로써 방지할 수 있다.[34] 이 BOD 센서는 상업적으로 판매되고 있다.
미국 해군은 환경 센서에 미생물 연료 전지를 활용하는 방안을 고려하고 있다. 미생물 연료 전지를 사용하면 환경 센서에 장기간 전력을 공급하고 유선 인프라 없이 해저 데이터를 수집, 검색할 수 있다. 연료 전지에서 생성된 에너지는 초기 시동 시간 이후 센서를 유지하기에 충분하다.[35] 해저 조건(높은 염분 농도, 변동하는 온도, 제한된 영양 공급) 때문에, 해군은 사용 가능한 영양소를 보다 완벽하게 활용할 수 있도록 염분 내성이 있는 미생물 혼합물을 사용하여 MFC를 배치할 수 있다. ''Shewanella oneidensis''가 주요 후보이지만, 다른 열 및 냉기 내성 ''Shewanella spp''도 포함될 수 있다.[36]
최초의 자체 전력 및 자율 BOD/COD 바이오센서가 개발되어 담수에서 유기 오염 물질을 감지할 수 있다. 이 센서는 MFC가 생산하는 전력에만 의존하며 유지 보수 없이 지속적으로 작동한다. 오염 수준에 따라 경고 알람을 켜며, 신호 빈도가 증가하면 높은 오염 수준을, 낮은 빈도는 낮은 오염 수준을 나타낸다.[37]
5. 4. 생물학적 복원
2010년, A. 테 헤이네 외 연구진은 전기를 생산하고 Cu2+ 이온을 구리 금속으로 환원할 수 있는 장치를 제작했다.[38] 미생물 전기 분해 전지는 수소를 생산하는 것으로 나타났다.[39]5. 5. 폐수 처리
MFC는 혐기성 소화를 이용하여 에너지를 수확하기 위해 수처리에 사용된다. 이 과정은 병원균을 감소시킬 수도 있다. 그러나 30°C 이상의 온도가 필요하며, 바이오가스를 전기로 변환하기 위한 추가 단계가 필요하다. 나선형 스페이서는 MFC 내에서 나선형 흐름을 생성하여 전력 생산을 증가시키는 데 사용될 수 있다. MFC를 확장하는 것은 더 큰 표면적의 전력 출력 문제로 인해 어려운 과제이다.[40]6. 한계점 및 발전 방향
미생물 연료 전지(MFC)는 지속 가능하고 혁신적인 기술로서 상당한 잠재력을 제공하지만, 여러 가지 과제도 안고 있다. 주요 과제 중 하나는 MFC 성능 최적화인데, 미생물 다양성, 전극 재료, 반응기 설계 등 다양한 요인으로 인해 여전히 복잡한 과제로 남아 있다.[72] 비용 효율적이고 오래 지속되는 전극 재료 개발은 또 다른 난관이며, MFC의 대규모 경제성에 직접적인 영향을 미친다. 또한, 실제 적용을 위한 MFC의 규모 확대는 공학적 및 물류적 과제를 제기한다.
그럼에도 불구하고, 미생물 연료 전지 기술에 대한 지속적인 연구는 이러한 과제들을 해결해 나가고 있다. 과학자들은 새로운 전극 재료를 적극적으로 탐구하고, 효율성을 개선하기 위해 미생물 군집을 강화하며, 반응기 구성을 최적화하고 있다. 더욱이, 합성생물학과 유전공학의 발전은 향상된 전자 전달 능력을 가진 맞춤형 미생물을 설계할 수 있는 가능성을 열어 MFC 성능의 한계를 넓히고 있다.[73] 다학제 분야 간의 협력 노력 또한 MFC 메커니즘에 대한 더 깊은 이해를 돕고, 폐수 처리, 환경 정화, 지속 가능한 에너지 생산 등 분야에서 잠재적 응용 범위를 확대하는 데 기여하고 있다.
참조
[1]
논문
Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology
https://doi.org/10.1[...]
[2]
논문
Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies
[3]
논문
Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells
[4]
웹사이트
MFC Pilot plant at the Fosters Brewery
http://www.microbial[...]
2013-03-09
[5]
논문
Electrical Effects Accompanying the Decomposition of Organic Compounds
[6]
논문
The Bacterial Culture as an Electrical Half-Cell
[7]
간행물
Developments in Industrial Microbiology
American Institute of Biological Sciences
[8]
논문
Continuous hydrogen production by immobilized whole cels of ''Clostridium butyricum''
[9]
논문
Biochemical cells utilizing immobilized cells of ''Clostridium butyricum''
1977-11
[10]
웹사이트
Brewing a sustainable energy solution
http://www.uq.edu.au[...]
2014-08-26
[11]
논문
Microbial fuel cells: Electricity production from carbohydrates
[12]
논문
A review of the substrates used in microbial fuel cells (MFCs) for sustainable energy production
[13]
논문
Behavior of metal ions in bioelectrochemical systems: A review
[14]
논문
Hydrogen and electricity production from a food processing wastewater using fermentation and microbial fuel cell technologies
[15]
논문
Denitrifying bio-cathodes developed from constructed wetland sediments exhibit electroactive nitrate reducing biofilms dominated by the genera Azoarcus and Pontibacter
2021-08-01
[16]
논문
Extracellular electron transfer of biocathodes: Revealing the potentials for nitrate and nitrite reduction of denitrifying microbiomes dominated by Thiobacillus sp.
https://www.scienced[...]
2014-12-01
[17]
서적
Wireless Sensor Networks and Ecological Monitoring
Springer link
[18]
논문
A stable synergistic microbial consortium for simultaneous azo dye removal and bioelectricity generation
[19]
논문
Engineering PQS Biosynthesis Pathway for Enhancement of Bioelectricity Production in Pseudomonas aeruginosa Microbial Fuel Cells
[20]
웹사이트
ZSL London Zoo trials world's first plant selfie
https://www.zsl.org/[...]
[21]
논문
Harnessing of bioelectricity in microbial fuel cell (MFC) employing aerated cathode through anaerobic treatment of chemical wastewater using selectively enriched hydrogen producing mixed consortia
[22]
논문
Bioelectricity generation from chemical wastewater treatment in mediatorless (anode) microbial fuel cell (MFC) using selectively enriched hydrogen producing mixed culture under acidophilic microenvironment
[23]
논문
Bioelectricity production by mediatorless microbial fuel cell under acidophilic condition using wastewater as substrate: Influence of substrate loading rate
2007-06-25
[24]
논문
Bioelectricity production from wastewater treatment in dual chambered microbial fuel cell (MFC) using selectively enriched mixed microflora: Effect of catholyte
[25]
논문
Biochemical evaluation of bioelectricity production process from anaerobic wastewater treatment in a single chambered microbial fuel cell (MFC) employing glass wool membrane
[26]
논문
Influence of anodic biofilm growth on bioelectricity production in single chambered mediatorless microbial fuel cell using mixed anaerobic consortia
[27]
논문
Development of Microbial Fuel Cells Using Proteus Vulgaris Bulletin of the Korean Chemical Society
[28]
문서
Yue & Lowther, 1986
[29]
논문
A miniature biofuel cell.
2001-09
[30]
논문
Biofuel cells and their development.
https://eprints.soto[...]
[31]
뉴스
Waterstof uit het riool
Eos magazine
2008-06
[32]
웹사이트
ISMET – The International Society for Microbial Electrochemistry and Technology
https://is-met.org/
2023-09-04
[33]
논문
Novel BOD (biological oxygen demand) sensor using mediator-less microbial fuel cell
2003-04
[34]
논문
Improvement of a microbial fuel cell performance as a BOD sensor using respiratory inhibitors
[35]
논문
Benthic Microbial Fuel Cell as Direct Power Source for an Acoustic Modem and Seawater Oxygen/Temperature Sensor System
[36]
논문
Aerobic Miniature Microbial Fuel Cells
[37]
논문
Self-powered, autonomous Biological Oxygen Demand biosensor for online water quality monitoring
2017-06-01
[38]
논문
Copper Recovery Combined with Electricity Production in a Microbial Fuel Cell
[39]
논문
Production of hydrogen from domestic wastewater in a pilot-scale microbial electrolysis cell
[40]
논문
Using Microbial Fuel Cells to Treat Raw Sludge and Primary Effluent for Bioelectricity Generation
[41]
간행물
'Biofuel cells select for microbial consortia that self-mediate electron transfer.'
[42]
논문
Electron-transfer coupling in microbial fuel cells. 2. Performance of fuel cells containing selected microorganism-mediator-substrate combinations
[43]
간행물
Interception of electron-transport chain in bacteria with hydrophilic redox mediators.
[44]
논문
"Direct electrode reaction of Fe (III) reducing bacterium, ''Shewanella putrefacience"
http://bioelectroche[...]
[45]
논문
A novel electrochemically active and Fe(III)-reducing bacterium phylogenetically related to Aeromonas hydrophila, isolated from a microbial fuel cell
[46]
웹사이트
Rasierapparate • plantpower.eu • 2021
https://plantpower.e[...]
[47]
웹사이트
Environmental Technology
http://www.ete.wur.n[...]
2012-06-06
[48]
논문
Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell
[49]
웹사이트
Advanced Water Management Centre
http://www.awmc.uq.e[...]
[50]
웹사이트
DailyTech – Microbial Hydrogen Production Threatens Extinction for the Ethanol Dinosaur
http://www.dailytech[...]
[51]
논문
Microbial Electrosynthesis: Feeding Microbes Electricity To Convert Carbon Dioxide and Water to Multicarbon Extracellular Organic Compounds
2010-05
[52]
웹사이트
MudWatt Science Kit
https://www.magicalm[...]
[53]
논문
Sediment microbial fuel cells for wastewater treatment: Challenges and opportunities
[54]
뉴스
Cleaning up wastewater from oil and gas operations using a microbe-powered battery
Gizmag
2015-03-02
[55]
웹사이트
New Technologies for Microbial Desalination Ready for Market Entry
https://projects.lei[...]
2020-10-09
[56]
논문
GENERATING ELECTRICITY BY "NATURE'S WAY"
http://www.biosaints[...]
[57]
논문
Microbial solar cells: Applying photosynthetic and electrochemically active organisms
https://zenodo.org/r[...]
[58]
논문
Quantitative analysis of the factors limiting solar power transduction by Synechocystis sp. PCC 6803 in biological photovoltaic devices
[59]
웹사이트
Miniature Microbial Fuel Cells
https://www.nrl.navy[...]
2014-11-30
[60]
논문
Diversifying Biological Fuel Cell Design by Use of Nanoporous Filters
https://digitalcommo[...]
[61]
웹사이트
Seminar 2
http://www.slideshar[...]
2016-01-05
[62]
논문
Comprehensive Study on Ceramic Membranes for Low-Cost Microbial Fuel Cells
[63]
논문
Performance evaluation of low cost microbial fuel cell fabricated using earthen pot with biotic and abiotic cathode
[64]
논문
Comparing terracotta and earthenware for multiple functionalities in microbial fuel cells
http://eprints.uwe.a[...]
[65]
논문
Electricity Generation by Micro-organisms
http://www.ncbe.read[...]
[66]
논문
How does electron transfer occur in microbial fuel cells?
https://pubmed.ncbi.[...]
2020-01-18
[67]
논문
Affinity of Microbial Fuel Cell Biofilm for the Anodic Potential
[68]
논문
Anodic reactions in microbial fuel cells
[69]
논문
Enhanced electricity generation by using algae biomass and activated sludge in microbial fuel cell
[70]
논문
Microbial redemption of "evil" days: a global appraisal to food security
2021-06
[71]
논문
Microbial Fuel Cells for Electrical Energy: Outlook on Scaling-Up and Application Possibilities towards South African Energy Grid
2022-11-01
[72]
논문
Microscale microbial fuel cells: Advances and challenges
2015-07
[73]
논문
Advances in microbial fuel cells for wastewater treatment
2017-05
[74]
논문
微生物燃料電池の可能性 : グリーンイノベーションへの挑戦
https://doi.org/10.1[...]
日本農芸化学会
[75]
논문
Performance of microbial desalination cell for salt removal and energy generation using different catholyte solutions
https://doi.org/10.1[...]
2018-04-15
[76]
논문
Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies
https://www.ncbi.nlm[...]
2014-09-24
[77]
논문
Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells
https://doi.org/10.1[...]
2005-05-01
[78]
웹사이트
世界初！ 廃水から「発電＋リン回収」。微生物燃料電池が水処理の未来を変える。
https://www.gifu-u.a[...]
2021-03-19
[79]
웹사이트
微生物燃料電池実験器 MudWatt
https://www.monotaro[...]
2021-03-19
[80]
웹사이트
MudWatt
https://www.magicalm[...]
2021-03-19
[81]
저널
Performance of microbial desalination cell for salt removal and energy generation using different catholyte solutions
[82]
저널
Emerging electrochemical energy conversion and storage technologies
[83]
저널
Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells
[84]
웹인용
MFC Pilot plant at the Fosters Brewery
http://www.microbial[...]
2013-03-09
[85]
저널
Electrical Effects Accompanying the Decomposition of Organic Compounds
본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.
문의하기 : help@durumis.com