Çeşitli Karbonhidratların Mikrobiyal Yakıt Hücrelerinde Elektrik Üretimine Etkileri

Abstract

Bu çalışmada, lignoselülozik biyokütlelerin asit hidrolizatlarında yaygın olarak bulunan monosakkaritlerden, disakkaritlerden, şeker alkollerinden direkt olarak elektrik üretimi, hava-katot mikrobiyal yakıt hücreleri kullanılarak araştırılmıştır. Başlıca on iki monosakkariti, iki disakkariti ve altı şeker alkollerini kapsayan karbon kaynakları ile elektrik üretimi gözlenmiştir. Sodyum asetat ile zenginleştirilmiş karışık bakteri kültürü, test edilen bütün substratlara kolayca adapte olmuştur. Yeni karbon kaynağına adaptasyon için gerekli süre substralar için farklılık göstermiştir. Test edilen substratlar için elde edilen en yüksek güç yoğunluğu 1262±5 mW m-2 ve 2763±38 mW m-2 arasında bulunmuştur. Kolombik yeterlik yüzde 10-34 idi. Test edilen substratlar için, en yüksek volt eldesi ve substrat konsantrasyonu arasında ilişki 120 ohm dış dirençte doygunluk kinetiği sonuçları ile uyumlu olduğu görülmüştür. Test edilen karbonhidratlar için yüzde 71’nin üzerinde kimyasal oksijen talebinde azalma sağlanmıştır. İki furan türevi ve sekiz fenolik bileşiğin araştırılması yapılmış, 2-furaldehit, asetofenon ve 3-4-dimetoksibenzil alkol’ün voltaj üretimi üzerine güçlü inhibitor etki gösterdiği saptanmıştır. Test edilen çam odun tozu hidrolizatının elektrik üretiminde karbon kaynağı olarak kullanılabileceği keşfedilmiştir. Monosakkarit karışımlarının mikrobiyal yakıt hücrelerinde tercihli kullanılarak elektrik üretimine yol açtığı ve karboksilik asit olarak yan ürünler oluşturulduğu saptanmıştır. Çalışmada ayrıca çeşitli operasyonel parametrelerin araştırılması yapılmıştır. Karbon kaynaklarının biofilm üzerinde mikrobiyal çeşitliliği önemli olarak etkilediği saptanmıştır. Çalışmada ayrıca, elektrik üretimi üzerine pH etkisi araştırılmış ve önemli bir faktör olduğu bulunmuştur. Bu çalışmanın sonuçları, lignoselülozik maddelerden türevli monosakkaritlerin, disakkaritlerin, şeker alkollerinin ve odun türevli maddelerin ön muamele ile mikrobiyal yakıt hücreleri için uygun birer karbon kaynağı olabileceklerini göstermiştir.

In this study, the direct production of electricity from monosaccharides, disaccharides and sugar alcohols were examined using air cathode microbial fuel cells (MFCs). Electricity was produced from all substrates tested. The mixed bacterial culture enriched using sodium acetate as a carbon source adapted well to all carbon sources tested. The adaptation time varied for each substrate. Maximum power density obtained from the carbohydrates were in the range of 1262±5 mW m-2 and 2763±38 mW m-2. For all substrates tested, the maximum voltage output at 120 Ω external resistance initially increased with the substrate concentration; however, further increases above a certain level did not improve the electricity generation. Coulombic efficiency was 10% to 34% for the compounds tested. For carbohydrates tested, the relationship between the maximum voltage output and the substrate concentration appeared to follow saturation kinetics at 120 Ω external resistance. Chemical oxygen demand removal was over 71% for all substrates tested. Two furan-derivatives and eight phenolic compounds were also examined, and 2-furaldehyde, acetophenone and 3-4-dimethoxybenzyl alcohol were found as strong inhibitors on voltage generation. Our results show that sulfuric acid hydrolysation (10%) of pine wood flour generate electricity in MFCs. Various sugar mixtures were preferentially used by the microorganisms, and carboxylic acids were produced as byproducts. Microbial community on biofilm structure was significantly affected by carbon source. Effect of pH on electricity production was found as a significant factor. Results from this study indicated that lignocellulosic biomass-derived compounds might be a suitable resource for electricity generation using MFC technology.