Mikrobiel brændselscelle omdanner metan til elektricitet

Transport af metan fra gasbrøndhoveder til markedet giver flere muligheder for, at denne drivhusgas kan lække ud i atmosfæren. Nu, et internationalt hold af forskere har taget det første skridt i at omdanne metan direkte til elektricitet ved hjælp af bakterier, på en måde, der kunne gøres i nærheden af ​​borepladserne.

"I øjeblikket, vi skal sende metan via rørledninger, " sagde Thomas K. Wood, indehaver af den bioteknologisk begavede stol og professor i kemiteknik, Penn State. "Når du sender metan, du frigiver en drivhusgas. Vi kan ikke fjerne al lækagen, men vi kunne skære det i to, hvis vi ikke sendte det via rør over lange afstande."

Forskernes mål er at bruge mikrobielle brændselsceller til at omdanne metan til elektricitet nær brøndhovederne, eliminerer langdistancetransport. Det mål ligger stadig langt ude i fremtiden, men de har nu skabt en bakteriedrevet brændselscelle, der kan omdanne metanen til små mængder elektricitet.

"Folk har i årtier forsøgt at omdanne metan direkte, " sagde Wood. "Men de har ikke været i stand til at gøre det med mikrobielle brændselsceller. Vi har konstrueret en bakteriestamme, der kan."

Mikrobielle brændselsceller omdanner kemisk energi til elektrisk energi ved hjælp af mikroorganismer. De kan køre på det meste organisk materiale, herunder spildevand, acetat og bryggeaffald. Metan, imidlertid, forårsager nogle problemer for mikrobielle brændselsceller, fordi mens der er bakterier, der forbruger metan, de lever i havets dyb og kan i øjeblikket ikke dyrkes i laboratoriet.

"Vi kender til en bakterie, der kan producere et energienzym, der fanger metan, " sagde Wood. "Vi kan ikke dyrke dem i fangenskab, men vi kiggede på DNA'et og fandt noget fra bunden af ​​Sortehavet og syntetiserede det."

Forskerne skabte faktisk et konsortium af bakterier, der producerer elektricitet, fordi hver bakterie gør sin del af jobbet. Ved hjælp af syntetiske biologiske tilgange, herunder DNA-kloning, forskerne skabte en bakterie som dem i dybet af Sortehavet, men en de kan dyrke i laboratoriet. Denne bakterie bruger metan og producerer acetat, elektroner og energienzymet, der fanger elektroner. Forskerne tilføjede også en blanding af bakterier fundet i slam fra en anaerob rådnetank - det sidste trin i affaldsbehandlingen. Dette slam indeholder bakterier, der producerer forbindelser, der kan transportere elektroner til en elektrode, men disse bakterier skulle akklimatiseres til metan for at overleve i brændselscellen. De rapporterer resultaterne af deres arbejde i dag (17. maj) i Naturkommunikation .

"Vi har brug for elektron-shuttle i denne proces, " sagde Wood. "Bakterier i slam fungerer som de pendulfarter."

Når elektroner når en elektrode, strømmen af ​​elektroner producerer elektricitet. For at øge mængden af ​​produceret elektricitet, forskerne brugte en naturligt forekommende bakterieslægt - Geobacter, som forbruger acetatet skabt af de syntetiske bakterier, der fanger metan for at producere elektroner.

For at vise, at en elektron-shuttle var nødvendig, forskerne kørte brændselscellen med kun de syntetiske bakterier og Geobacter. Brændselscellen producerede ingen elektricitet. De tilføjede humussyrer - en ikke-levende elektron-shuttle - og brændselscellerne virkede. Bakterier fra slammet er bedre skytter end humussyrer, fordi de er selvbærende. Forskerne har indgivet foreløbige patenter på denne proces.

"Denne proces laver meget elektricitet til en mikrobiel brændselscelle, sagde Wood. "Men på dette tidspunkt er beløbet 1, 000 gange mindre end den elektricitet, der produceres af en methanol-brændselscelle."

Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .