Задание «Микробный Топливный Элемент»
1. Тема задания Конкурса: Разработка и изготовление микробного топливного элемента.
Термин «зелёная революция» связан с принципами проектирования и конструирования инженерных систем, которые содержат биологический компонент как подсистему технического устройства. В отличие от биосферы, подсистемы которой функционируют по принципам безотходности и цикличности воспроизводства ресурсов, циклы большинства инженерных систем техносферы линейны. Жизненный цикл таких изделий включает ресурсозатратные этапы утилизации при переходе к следующим технологическим укладам. При переходе к следующему технологическому укладу необходимо проектировать гибридные инженерно-биологические системы, в которых реализованы ключевые принципы безотходности производственных циклов.
Такой подход требует принципиально иного инженерного мышления, в котором используются эволюционные механизмы функционирования изделий.
Одно из направлений развития «биоинженерных систем» в области энергопроизводства– применение технологии микробного топливного элемента.
Что такое микробный топливный элемент?
Микробный топливный элемент (МТЭ) – это биотехнологическое устройство, преобразующее энергию химических связей органических веществ в электричество за счёт метаболической активности микроорганизмов, электрон-транспортные цепи (ЭТЦ) которых способны осуществлять перенос электронов на внешние нерастворимые «приёмники» (акцепторы).
Перспективы применения:
МТЭ можно использовать для переработки «сырья с отрицательной стоимостью» - то есть органических отходов, в любой точке мира, где таковые производятся. Технология может быть использована для создания промышленных установок на пищевых и деревоперерабатывающих предприятиях, сельскохозяйственных фермах и в муниципальных хозяйствах. Установки могут быть оптимизированы и для использования частными лицами.
Биоэлектрохимические основы разрабатываемой технологии обладают перспективами внедрения и в других промышленных областях: создание биосенсоров (в том числе для медицинских нужд), создание автономных источников питания для роботизированной автономной и радиоуправляемой техники и др.
Поскольку в процессе работы МТЭ на катоде происходит накопление водорода, технология может быть адаптирована для зарядки водородных топливных элементов, что позволит увеличить суммарный энергетический выход установки за счёт аккумуляции энергоносителя (получение водорода для водородных топливных элементов).
Адаптация технологии МТЭ для микробных сообществ почв позволяет рассматривать эту систему в качестве прототипа энергетических установок на крышах зданий в случае горизонтального озеленения кровель. Согласно расчетам, крыша площадью около 100 квадратных метров сможет ежегодно генерировать около 2800 кВт-ч энергии. Также стоит отметить, что технология может работать с разными видами растений, в том числе, с сельскохозяйственными культурами.
МТЭ генерируют постоянный ток низкого напряжения, которым можно заряжать аккумуляторные батареи или питать светодиодные светильники. Последнее актуально для частных фермерских и подсобных хозяйств, при освоении земельных наделов по программе «Дальневосточный гектар», при сезонном проживании в загородных условиях.
Принцип действия:
Микроорганизмы и окисляемый субстрат находятся в анаэробных условиях анодной камеры МТЭ. В данном отсеке МТЭ содержится анод, электрод, на который микроорганизмы «сбрасывают» электроны. В другом отсеке МТЭ - катодной камере - находится, соответственно, катод, который аэрируется воздухом или чистым кислородом. Процессы жизнедеятельности микроорганизмов являются источником электронов.
Для разделения анодной и катодной камер используются специальные протонообменные мембраны, которые осуществляют однонаправленный перенос протонов, образовавшихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, из анодной камеры в катодную и не дающие кислороду возможность проходить в обратном направлении (рис. 1).
Рис. 1. Схема микробного топливного элемента
В МТЭ микроорганизмы передают электроны на электрод. С этим связана необходимость создания анаэробных условий в анодной камере, так как в противном случае кислород будет успешно конкурировать с электродом за возможность связывания электронов. Катод находится в аэробных условиях.
Суть работы МТЭ заключается в «отрыве» микроорганизмами электронов от субстрата питания и передача их на анод. Электроны под действием разности окислительно-восстановительных потенциалов начинают двигаться к катоду, на котором происходит восстановление кислорода с образованием воды. Одновременно с отрывом электронов от субстрата происходит образование
«Микробный Топливный Элемент» протонов водорода, которые проходят через ионоселективную мембрану из анодной камеры в катодную, где и соединяются с кислородом с образованием воды.
Направления развития технологии:
Одним из важнейших направлений для развития технологии МТЭ является поиск оптимальных (электрогенных) микроорганизмов, способных активно функционировать в системе МТЭ, и повышение эффективности транспорта электронов между клетками и электродом. Другими словами, повышение эффективности работы МТЭ.
Вторым серьёзным вызовом в развитии МТЭ является проблема масштабирования системы – увеличения объёма при сохранении эффективности работы.
2. Задание Конкурса:
Изготовить собственный вариант МТЭ, способный отдавать электроэнергию.
Габариты МТЭ (в зависимости от типа конструкции) не более, чем:
– Двухкамерный мембранный – 1000 см. куб. рабочего объёма;
– Однокамерный воздушнокатодный– 2000 см. куб. рабочего объёма;
– Растительно-микробный – 3000 см. куб. рабочего объёма;
–Твёрдофазный– 2000 см. куб. рабочего объёма;
– Бентосный – 5000 см. куб. рабочего объёма.
Питательный субстрат выбирается командой согласно типу МТЭ с целью увеличения генерации тока.
Все этапы разработки МТЭ должны быть зафиксированы в технической документации на конструкцию, протоколах испытаний и журналах исследований.
3. Форма представления результатов выполнения задания Конкурса
Результаты выполнения конкурсного задания должны быть представлены в виде:
– видеопрезентации разработанного технического устройства;
– технической документации на конструкцию (чертежи: деталировка и в сборе, схемы, описания (конструкции, деталей, материалов), обоснования (почему так, а не иначе), расчеты, которые использовались при разработке);
– протокола испытаний;
– журналов исследований.
4. Требования к видеопрезентации, протоколу исследований и технической документации.
Видеопрезентация должна быть представлена в виде видеоролика продолжительностью не более пяти минут. Видео должно обеспечивать возможность оценки:
– конструкции устройства в разобранном состоянии;
– конструкции в собранном виде;
– работоспособности МТЭ с видеорегистрацией максимальных показателей работоспособности (сила тока, напряжение).
Видеопрезентация должна содержать исчерпывающие устные или письменные пояснения на русском языке, раскрывающие принцип действия устройства, его функциональные свойства, а также технические особенности, позволяющие устройству выполнять свои основные функции (задачи по предназначению)
Музыкальное сопровождение в видеопрезентации не допускается,
Протокол исследования должен состоять из двух основных частей. В первой части исследователь подробно описывает свои действия, отвечая на вопрос «Что сделано?». Во второй – фиксирует наблюдаемые события, происходящие в процессе эксперимента, тем самым отвечая на вопрос «Что наблюдалось?».
Протоколирование эксперимента осуществляется на датированных листах с указанием времени воздействия и наблюдений их последствий. Возможно осуществление графического протоколирования в виде «кривой соотношения», где независимая переменная помещена на оси абсцисс, а зависимая - на оси ординат.
Предлагаемый алгоритм ведения протокола см. рис. 2.
Рис.2. Алгоритм ведения протокола эксперимента в лабораторном журнале
Техническая документация на конструкцию МТЭ должна быть представлена в виде пакета эскизов, чертежа в сборе и деталировки конструкции МТЭ.
При выполнении эскизов и чертежей допускается отклонения от стандартов. Эскиз может быть сделан от руки. Чертежи должны быть представлены файлом в формате рисунка jpg.
5. Критерии оценки решения задания Конкурса:
Ведение журнала эксперимента (соответствие протоколу, достоверность вносимых сведений, читаемость) – от 0 до 3 баллов (по баллу за качество оформления, статистическую достоверность данных, полноту исследований);
Динамика изменения силы тока и напряжения за период функционирования МТЭ:
– График изменения напряжения (зависимость напряжения от времени при постоянной нагрузке (к примеру, от белого светодиода(дов) марки GNL- 3012GD, (Светодиод зеленый 60" d=3MM 7мКд 565нМ или аналогичный ему)) от включения цепи до истощения МТЭ) - от 0 до 3 баллов. Оценивается стабильность напряжения и силы тока по абсолютному времени работы МТЭ на одной загрузке в пределах отклонения от среднего значения на 20%.
– График изменения силы тока (зависимость силы тока от времени при постоянной нагрузки (к примеру, от светодиода(дов) марки GNL-3012GD) от начала включения цепи до истощения МТЭ) – от 0 до 3 баллов.
– Общая площадь под графиком зависимости силы тока и напряжения (графики п.1 и п.2) за время функционирования от начала включения цепи до истощения МТЭ при включении в цепь нагрузки (к примеру, светодиода(дов) марки GNL-3012GD) – от 0 до 3 баллов.
– Удельная сила тока на единицу площади анода в момент замыкания цепи нагрузкой (к примеру, светодиодом (дами) марки GNL-3012GD) - от 0 до 3 баллов.
– Графики изменения мощности при замыкании цепи нагрузкой (к примеру, светодиодом(дами) марки GNL-3012GD) до истощения МТЭ, расчетный и/или экспериментальный – от 0 до 3 баллов.
– Оценка оригинальности инженерного и биологического решения работы команды по анализу представленной техдокументации и лабораторных журналов – от 0 до 3 баллов.