माइक्रोबियल ईंधन सेल

माइक्रोबियल ईंधन सेल  (MFC) एक प्रकार का बायोइलेक्ट्रॉनिक फ्यूल सेल सिस्टम है वह एक बाहरी  विद्युत सर्किट  के माध्यम से कैथोड पर ऑक्सीकृत यौगिकों जैसे  ऑक्सीजन  (जिसे ऑक्सीकरण एजेंट या इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के रूप में भी जाना जाता है) को एनोड पर कम यौगिकों (ईंधन या इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में भी जाना जाता है) के माइक्रोबियल ऑक्सीकरण से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को मोड़ करके विद्युत प्रवाह उत्पन्न करता है।माइक्रोबियल ईंधन सेल को दो सामान्य श्रेणियों में बांटा जा सकता है: मध्यस्थ और अनमध्यस्थ। 20वीं शताब्दी की शुरुआत में प्रदर्शित किए गए पहले माइक्रोबियल ईंधन सेल ने एक मध्यस्थ का इस्तेमाल किया एक रसायन सेल में जो जीवाणु से इलेक्ट्रॉनों को एनोड में स्थानांतरित करता है। 1970 के दशक में अनियंत्रित माइक्रोबियल ईधन सेल उभरे इस प्रकार की बैक्टीरिया में सामान्यतः इलेक्ट्रोकेमिकली सक्रिय रेडोक्स प्रोटीन होते हैं जैसे कि साइटोक्रोम से उनके बाहरी झिल्ली पर होते हैं जो इलेक्ट्रॉनों को सीधे एनोड में स्थानांतरित कर सकते हैं। 21वीं सदी में माइक्रोबियल ईधन सेल ने अपशिष्ट जल उपचार में व्यावसायिक उपयोग करना शुरू कर दिया है।

इतिहास
विद्युत पैदा करने के लिए रोगाणुओं का उपयोग करने का विचार बीसवीं सदी की शुरुआत में आया था। ब्रिटिश माइकोलॉजिकल सोसाइटी सोसाइटी के अध्यक्ष 1896 मे वर्तमान माइकल क्रेस पॉटर ने 1911 में इस विषय की शुरुआत की। पॉटर Saccharomyces cerevisiae  से बिजली उत्पन्न करने में कामयाब रहे, लेकिन काम को बहुत कम कवरेज मिला। 1931 में,  बार्नेट कोहेन  ने माइक्रोबियल  आधा सेल  फ्यूल सेल बनाए, जो श्रृंखला में जुड़े होने पर, केवल 2 मिलीमीटर के विद्युत के साथ 35 वोल्ट से अधिक उत्पादन करने में सक्षम थे। डेलडूका एट अल द्वारा एक अध्ययन। हाइड्रोजन और वायु ईंधन सेल के एनोड पर अभिकारक के रूप में क्लोस्ट्रीडियम ब्यूटिरिकम  द्वारा ग्लूकोज के  किण्वन (जैव रसायन)  द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन का उपयोग किया जाता है। हालांकि सेल ने कार्य किया, यह सूक्ष्म जीवों द्वारा हाइड्रोजन उत्पादन की अस्थिर प्रकृति के कारण अविश्वसनीय था। इस मुद्दे को सुजुकी एट अल द्वारा 1976 में हल किया गया था। जिन्होंने एक साल बाद एक सफल माइक्रोबिएल ईंधन सेल डिज़ाइन तैयार किया। 1970 के दशक के अंत में, माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं के कार्य करने के तरीके के बारे में बहुत कम समझा गया था। अवधारणा का अध्ययन रॉबिन एम. एलन और बाद में एच. पीटर बेनेटो द्वारा किया गया था। लोगों ने ईंधन सेल को विकासशील देशों के लिए बिजली उत्पादन के संभावित तरीके के रूप में देखा। 1980 के दशक की शुरुआत में बेनेटो के काम ने यह समझने में मदद की कि ईंधन सेल कैसे काम करते हैं और उन्हें कई लोगों ने देख विषय के प्रमुख अधिकार के रूप में।

मई 2007 में क्वींसलैंड विश्वविद्यालय ऑस्ट्रेलिया ने फोस्टर्स ग्रुप फोस्टर्स ब्रूइंग के साथ एक सहकारी प्रयास के रूप में एक प्रोटोटाइप माइक्रोबिएल ईंधन सेल पूरा किया। प्रोटोटाइप एक 10 एल डिजाइन, शराब की भठ्ठी अपशिष्ट  जल को कार्बन डाइऑक्साइड, स्वच्छ पानी और बिजली में परिवर्तित करता है। समूह की आगामी अंतर्राष्ट्रीय जैव-ऊर्जा सम्मेलन के लिए एक पायलट-स्केल मॉडल बनाने की योजना थी।

परिभाषा
एक माइक्रोबियल ईंधन सेल (MFC) एक उपकरण है जो सूक्ष्मजीव ों की क्रिया द्वारा रासायनिक ऊर्जा को  विद्युत ऊर्जा  में परिवर्तित करता है। इन विद्युत रासायनिक कोशिकाओं का निर्माण बायोएनोड और/या बायोकैथोड का उपयोग करके किया जाता है। अधिकांश एमएफसी में एनोड (जहां ऑक्सीकरण होता है) और कैथोड (जहां कमी होती है) के डिब्बों को अलग करने के लिए एक झिल्ली होती है। ऑक्सीकरण के दौरान उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को सीधे इलेक्ट्रोड या रेडॉक्स मध्यस्थ प्रजातियों में स्थानांतरित किया जाता है। इलेक्ट्रॉन प्रवाह को कैथोड में ले जाया जाता है। सिस्टम का चार्ज बैलेंस सेल के अंदर आयनिक मूवमेंट द्वारा बनाए रखा जाता है, आमतौर पर एक आयनिक झिल्ली के पार। अधिकांश MFC कार्बनिक इलेक्ट्रॉन दाता का उपयोग करते हैं जो CO उत्पन्न करने के लिए ऑक्सीकृत होता है2, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन। अन्य इलेक्ट्रॉन दाताओं की सूचना दी गई है, जैसे कि सल्फर यौगिक या हाइड्रोजन। कैथोड प्रतिक्रिया विभिन्न प्रकार के इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता का उपयोग करती है, अक्सर ऑक्सीजन (ओ2). अध्ययन किए गए अन्य इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में रिडक्शन द्वारा मेटल रिकवरी शामिल है, पानी से हाइड्रोजन, नाइट्रेट कमी, और सल्फेट कमी।

बिजली उत्पादन
MFC बिजली उत्पादन अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक हैं, जिनके लिए केवल कम बिजली की आवश्यकता होती है, लेकिन जहां बैटरी को बदलना अव्यावहारिक हो सकता है, जैसे कि वायरलेस सेंसर नेटवर्क। माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं द्वारा संचालित वायरलेस सेंसर तब उदाहरण के लिए दूरस्थ निगरानी  (संरक्षण) के लिए उपयोग किए जा सकते हैं। वस्तुतः किसी भी कार्बनिक पदार्थ का उपयोग ईंधन सेल को भरने के लिए किया जा सकता है, जिसमें अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों के युग्मन सेल शामिल हैं। रासायनिक प्रक्रिया अपशिष्ट जल और सिंथेटिक अपशिष्ट जल  दोहरे और एकल-कक्ष मध्यस्थ रहित MFCs (अनकोटेड ग्रेफाइट इलेक्ट्रोड) में बायोइलेक्ट्रिकिटी का उत्पादन करने के लिए उपयोग किया गया है।

biofilm से ढके ग्रेफाइट  एनोड  के साथ उच्च शक्ति उत्पादन देखा गया।  ईंधन सेल उत्सर्जन नियामक सीमाओं के अंतर्गत अच्छी तरह से हैं। एमएफसी मानक  आंतरिक दहन इंजन ों की तुलना में ऊर्जा को अधिक कुशलता से परिवर्तित करते हैं, जो कार्नोट के प्रमेय (थर्मोडायनामिक्स) द्वारा सीमित हैं। सिद्धांत रूप में, एक एमएफसी 50% से कहीं अधिक ऊर्जा दक्षता के लिए सक्षम है। Rozendal ने पारंपरिक हाइड्रोजन उत्पादन तकनीकों की तुलना में 8 गुना कम ऊर्जा इनपुट के साथ हाइड्रोजन का उत्पादन किया।

इसके अलावा, MFC छोटे पैमाने पर भी काम कर सकते हैं। कुछ मामलों में इलेक्ट्रोड को केवल 7 माइक्रोन मोटा और 2 सेमी लंबा होना चाहिए, जैसे कि एक MFC एक बैटरी को बदल सकता है। यह ऊर्जा का एक नवीकरणीय रूप प्रदान करता है और इसे रिचार्ज करने की आवश्यकता नहीं होती है।

MFC हल्की परिस्थितियों, 20 °C से 40 °C और लगभग 7 के pH  पर अच्छी तरह से काम करते हैं लेकिन  कृत्रिम पेसमेकर  जैसे दीर्घकालिक चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक स्थिरता की कमी है।

पावर स्टेशन शैवाल जैसे जलीय पौधों पर आधारित हो सकते हैं। यदि किसी मौजूदा बिजली प्रणाली के निकट स्थित है, तो एमएफसी प्रणाली अपनी बिजली लाइनों को साझा कर सकती है।

शिक्षा
मृदा-आधारित माइक्रोबियल ईंधन सेल शैक्षिक उपकरण के रूप में काम करते हैं, क्योंकि वे कई वैज्ञानिक विषयों (माइक्रोबायोलॉजी, जियोकेमिस्ट्री, इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग, आदि) को शामिल करते हैं और आमतौर पर उपलब्ध सामग्रियों, जैसे मिट्टी और रेफ्रिजरेटर से वस्तुओं का उपयोग करके बनाए जा सकते हैं। गृह विज्ञान परियोजनाओं और कक्षाओं के लिए किट उपलब्ध हैं। कक्षा में उपयोग किए जा रहे माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं का एक उदाहरण विज्ञान और प्रौद्योगिकी के लिए थॉमस जेफरसन हाई स्कूल  के IBET (एकीकृत जीव विज्ञान, अंग्रेजी और प्रौद्योगिकी) पाठ्यक्रम में है। इंटरनेशनल सोसाइटी फॉर माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकैमिस्ट्री एंड टेक्नोलॉजी (आईएसएमईटी सोसाइटी) पर कई शैक्षिक वीडियो और लेख भी उपलब्ध हैं।.

बायोसेंसर
एक माइक्रोबियल ईंधन सेल से उत्पन्न वर्तमान ईंधन के रूप में उपयोग किए जाने वाले अपशिष्ट जल की कार्बनिक पदार्थ सामग्री के सीधे आनुपातिक है। MFC अपशिष्ट जल की विलेय सांद्रता (यानी, बायोसेंसर  के रूप में) को माप सकते हैं। अपशिष्ट जल का आमतौर पर जैव रासायनिक ऑक्सीजन मांग (बीओडी) मूल्यों के लिए मूल्यांकन किया जाता है। बीओडी मान रोगाणुओं के उचित स्रोत के साथ 5 दिनों के लिए नमूनों को इनक्यूबेट करके निर्धारित किया जाता है, आमतौर पर अपशिष्ट जल संयंत्रों से एकत्रित सक्रिय कीचड़।

एक MFC-टाइप BOD सेंसर रीयल-टाइम BOD मान प्रदान कर सकता है। ऑक्सीजन और नाइट्रेट एनोड पर पसंदीदा इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता में हस्तक्षेप कर रहे हैं, एमएफसी से वर्तमान पीढ़ी को कम कर रहे हैं। इसलिए, MFC BOD सेंसर इन इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता की उपस्थिति में BOD मानों को कम आंकते हैं। साइनाइड  और  अब्द  जैसे टर्मिनल ऑक्सीडेज इनहिबिटर का उपयोग करके एमएफसी में एरोबिक और नाइट्रेट श्वसन को बाधित करके इससे बचा जा सकता है। ऐसे बीओडी सेंसर व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं।

संयुक्त राज्य नौसेना पर्यावरण सेंसर के लिए माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं पर विचार कर रही है। बिजली पर्यावरण सेंसर के लिए माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं का उपयोग लंबी अवधि के लिए शक्ति प्रदान कर सकता है और बिना तार वाले बुनियादी ढांचे के पानी के नीचे के डेटा के संग्रह और पुनर्प्राप्ति को सक्षम कर सकता है। इन ईंधन कोशिकाओं द्वारा बनाई गई ऊर्जा शुरुआती स्टार्टअप समय के बाद सेंसर को बनाए रखने के लिए पर्याप्त है। समुद्र के नीचे की स्थितियों (उच्च नमक सांद्रता, उतार-चढ़ाव वाले तापमान और सीमित पोषक तत्वों की आपूर्ति) के कारण, नौसेना नमक-सहिष्णु सूक्ष्मजीवों के मिश्रण के साथ एमएफसी तैनात कर सकती है जो उपलब्ध पोषक तत्वों के अधिक पूर्ण उपयोग की अनुमति देगी।  शेवानेला ओनिडेंसिस  उनका प्राथमिक उम्मीदवार है, लेकिन अन्य गर्मी और ठंड-सहिष्णु शीवनेला एसपीपी भी शामिल हो सकते हैं। एक पहला स्व-संचालित और स्वायत्त बीओडी/सीओडी बायोसेंसर विकसित किया गया है और मीठे पानी में कार्बनिक प्रदूषकों का पता लगाने में सक्षम बनाता है। सेंसर केवल एमएफसी द्वारा उत्पादित बिजली पर निर्भर करता है और बिना रखरखाव के लगातार काम करता है। यह संदूषण स्तर के बारे में सूचित करने के लिए अलार्म चालू करता है: सिग्नल की बढ़ी हुई आवृत्ति उच्च संदूषण स्तर के बारे में चेतावनी देती है, जबकि कम आवृत्ति कम संदूषण स्तर के बारे में सूचित करती है।

बायो रिकवरी
2010 में, ए. टेर हाइजेन एट अल। बिजली पैदा करने और Cu को कम करने में सक्षम एक उपकरण का निर्माण कियातांबे की धातु में 2+ आयन।

हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस कोशिकाओं का प्रदर्शन किया गया है।

अपशिष्ट जल उपचार
एनारोबिक पाचन का उपयोग करके ऊर्जा की कटाई के लिए एमएफसी का उपयोग जल उपचार में किया जाता है। प्रक्रिया रोगजनकों को भी कम कर सकती है। हालाँकि, इसके लिए 30 डिग्री सेल्सियस से ऊपर के तापमान की आवश्यकता होती है और बायोगैस  को बिजली में बदलने के लिए एक अतिरिक्त कदम की आवश्यकता होती है। MFC में पेचदार प्रवाह बनाकर बिजली उत्पादन बढ़ाने के लिए स्पाइरल स्पेसर्स का उपयोग किया जा सकता है। बड़े सतह क्षेत्र की बिजली उत्पादन चुनौतियों के कारण एमएफसी को स्केल करना एक चुनौती है।

मध्यस्थता
अधिकांश माइक्रोबियल कोशिकाएं विद्युत रासायनिक रूप से निष्क्रिय होती हैं। माइक्रोबियल कोशिकाओं से इलेक्ट्रोड  तक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण मध्यस्थों जैसे  थियोनिन,  मिथाइल बायोल ,  मिथाइल ब्लू ,  ह्युमिक एसिड  और  तटस्थ लाल  द्वारा किया जाता है।  अधिकांश उपलब्ध मध्यस्थ महंगे और जहरीले होते हैं।

मध्यस्थ मुक्त
मध्यस्थ-मुक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल विद्युत-रासायनिक रूप से सक्रिय जीवाणुओं का उपयोग करते हैं जैसे कि शेवानेला पुट्रेफेसीन्स और एरोमोनास हाइड्रोफिला  जीवाणु श्वसन एंजाइम से सीधे इलेक्ट्रोड में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए। कुछ बैक्टीरिया अपने इलेक्ट्रॉन उत्पादन को  pilus  के माध्यम से अपने बाहरी झिल्ली पर स्थानांतरित करने में सक्षम होते हैं। मध्यस्थ-मुक्त MFC कम अच्छी तरह से विशेषता हैं, जैसे सिस्टम में उपयोग किए जाने वाले बैक्टीरिया का  तनाव (जीव विज्ञान),  आयन-विनिमय झिल्ली  का प्रकार और सिस्टम की स्थिति (तापमान, पीएच, आदि)।

मध्यस्थ-मुक्त माइक्रोबियल ईंधन सेल अपशिष्ट  जल पर चल सकते हैं और कुछ पौधों और ओ से सीधे ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं2. इस विन्यास को प्लांट माइक्रोबियल फ्यूल सेल के रूप में जाना जाता है। संभावित पौधों में ग्लिसेरिया मैक्सिमा,  तेज , चावल, टमाटर, ल्यूपिनस और  शैवाल  शामिल हैं।   यह देखते हुए कि बिजली जीवित पौधों (सीटू-ऊर्जा उत्पादन) का उपयोग करके प्राप्त की जाती है, यह संस्करण पारिस्थितिक लाभ प्रदान कर सकता है।

माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस
मध्यस्थ-रहित MFC की एक भिन्नता माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल (MEC) है। जबकि एमएफसी पानी में कार्बनिक यौगिकों के जीवाणु अपघटन द्वारा विद्युत प्रवाह का उत्पादन करते हैं, एमईसी आंशिक रूप से बैक्टीरिया को वोल्टेज लागू करके हाइड्रोजन या मीथेन उत्पन्न करने की प्रक्रिया को उलट देते हैं। यह ऑर्गेनिक्स के माइक्रोबियल अपघटन द्वारा उत्पन्न वोल्टेज को पूरक करता है, जिससे पानी या मीथेन उत्पादन का इलेक्ट्रोलिसिस होता है।  माइक्रोबियल इलेक्ट्रोसिंथेसिस  में एमएफसी सिद्धांत का पूर्ण उलटा पाया जाता है, जिसमें बहु-कार्बन कार्बनिक यौगिक बनाने के लिए बाहरी विद्युत प्रवाह का उपयोग करके बैक्टीरिया द्वारा  कार्बन डाइऑक्साइड  को कम किया जाता है।

मिट्टी आधारित
मृदा-आधारित माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाएं मूल MFC सिद्धांतों का पालन करती हैं, जिससे मिट्टी  पोषक तत्वों से भरपूर एनोडिक मीडिया,  माइक्रोबियल इनोकुलेंट  और  प्रोटॉन विनिमय झिल्ली  (PEM) के रूप में कार्य करती है। एनोड को मिट्टी के भीतर एक विशेष गहराई पर रखा जाता है, जबकि  कैथोड  मिट्टी के ऊपर टिका होता है और हवा के संपर्क में रहता है।

MFCs के लिए आवश्यक माइक्रोबियल जीवन में बायोइलेक्ट्रोजेनेसिस # बायोइलेक्ट्रोजेनेसिस सहित मिट्टी स्वाभाविक रूप से मिट्टी जीव विज्ञान, और जटिल शर्करा और अन्य पोषक तत्वों से भरे हुए हैं जो पौधे और पशु सामग्री के क्षय से जमा हुए हैं। इसके अलावा, मिट्टी में मौजूद  एरोबिक जीव  (ऑक्सीजन की खपत करने वाले) रोगाणु ऑक्सीजन फिल्टर के रूप में कार्य करते हैं, प्रयोगशाला एमएफसी सिस्टम में उपयोग की जाने वाली महंगी पीईएम सामग्री की तरह, जो मिट्टी की रेडॉक्स क्षमता को अधिक गहराई से कम करने का कारण बनती है। मृदा आधारित एमएफसी विज्ञान कक्षाओं के लिए लोकप्रिय शैक्षिक उपकरण बन रहे हैं। अपशिष्ट जल उपचार के लिए तलछट माइक्रोबियल ईंधन कोशिकाओं (एसएमएफसी) को लागू किया गया है। सरल एसएमएफसी अपशिष्ट जल को विसंदूषित करते हुए ऊर्जा उत्पन्न कर सकते हैं। ऐसे अधिकांश SMFC में निर्मित आर्द्रभूमि की नकल करने के लिए पौधे होते हैं। 2015 तक SMFC परीक्षण 150 L से अधिक हो गए थे। 2015 में शोधकर्ताओं ने एक एसएमएफसी एप्लिकेशन की घोषणा की जो ऊर्जा निकालती है और बैटरी (बिजली)  चार्ज करती है। नमक पानी में धनात्मक और ऋणात्मक रूप से आवेशित आयनों में अलग हो जाते हैं और चलते हैं और संबंधित नकारात्मक और धनात्मक इलेक्ट्रोड का पालन करते हैं, बैटरी को चार्ज करते हैं और नमक को प्रभावित करने वाले माइक्रोबियल कैपेसिटिव डिसेलिनेशन को हटाना संभव बनाते हैं।  अलवणीकरण  प्रक्रिया के लिए आवश्यक ऊर्जा की तुलना में रोगाणु अधिक ऊर्जा का उत्पादन करते हैं। 2020 में, एक यूरोपीय अनुसंधान परियोजना ने लगभग 0.5 kWh/m3 की ऊर्जा खपत के साथ मानव उपभोग के लिए ताजे पानी में समुद्री जल का उपचार प्राप्त किया, जो कि वर्तमान ऊर्जा खपत में 85% की कमी का प्रतिनिधित्व करता है, जो अत्याधुनिक अलवणीकरण प्रौद्योगिकियों के संबंध में है। इसके अलावा, जिस जैविक प्रक्रिया से ऊर्जा प्राप्त की जाती है, वह पर्यावरण में इसके निर्वहन या कृषि / औद्योगिक उपयोगों में पुन: उपयोग के लिए अवशिष्ट जल को शुद्ध करती है। यह डिसेलिनेशन इनोवेशन सेंटर में हासिल किया गया है जिसे एक्वलिया ने 2020 की शुरुआत में डेनिया, स्पेन में खोला है।

फोटोट्रोफिक बायोफिल्म
फोटोट्रोफिक बायोफिल्म एमएफसी (एनईआर) एक फोटोट्रॉफिक बायोफिल्म एनोड का उपयोग करते हैं जिसमें क्लोरोफाईटा  और  साइनोबैक्टीरीया  जैसे प्रकाश संश्लेषक सूक्ष्मजीव होते हैं। वे प्रकाश संश्लेषण करते हैं और इस प्रकार कार्बनिक चयापचयों का उत्पादन करते हैं और इलेक्ट्रॉनों का दान करते हैं। एक अध्ययन में पाया गया कि पीबीएमएफसी व्यावहारिक अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त शक्ति घनत्व  प्रदर्शित करते हैं। फोटोट्रोफिक एमएफसी की उप-श्रेणी जो एनोड पर पूरी तरह ऑक्सीजनिक ​​प्रकाश संश्लेषक सामग्री का उपयोग करती है, उसे कभी-कभी जैविक फोटोवोल्टिक ्स सिस्टम कहा जाता है।

नैनोपोरस मेम्ब्रेन
संयुक्त राज्य नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला ने नैनोपोरस मेम्ब्रेन माइक्रोबियल फ्यूल सेल विकसित किए हैं जो सेल के भीतर निष्क्रिय प्रसार उत्पन्न करने के लिए गैर-पीईएम का उपयोग करते हैं। झिल्ली एक गैर झरझरा बहुलक फिल्टर ( नायलॉन,  सेल्यूलोज , या पॉली  पॉलीकार्बोनेट ) है। यह अधिक स्थायित्व के साथ नेफियन (एक प्रसिद्ध पीईएम) की तुलनीय शक्ति घनत्व प्रदान करता है। झरझरा झिल्लियां निष्क्रिय प्रसार की अनुमति देती हैं जिससे पीईएम को सक्रिय रखने और कुल ऊर्जा उत्पादन में वृद्धि करने के लिए एमएफसी को आपूर्ति की जाने वाली आवश्यक शक्ति कम हो जाती है। एमएफसी जो एक झिल्ली का उपयोग नहीं करते हैं, एरोबिक वातावरण में अवायवीय बैक्टीरिया को तैनात कर सकते हैं। हालांकि, झिल्ली रहित एमएफसी स्वदेशी बैक्टीरिया और बिजली की आपूर्ति करने वाले सूक्ष्म जीव द्वारा कैथोड संदूषण का अनुभव करते हैं। नैनोपोरस झिल्लियों का उपन्यास निष्क्रिय प्रसार कैथोड संदूषण की चिंता किए बिना एक झिल्ली-रहित MFC का लाभ प्राप्त कर सकता है। नैनोपोरस झिल्ली भी Nafion (Nafion-117, $0.22/cm2) से 11 गुना सस्ती हैं।2 बनाम पॉलीकार्बोनेट, <$0.02/सेमी2).

सिरेमिक झिल्ली
PEM झिल्लियों को सिरेमिक सामग्री से बदला जा सकता है। सिरेमिक झिल्ली की लागत $5.66/m जितनी कम हो सकती है 2। सिरेमिक झिल्लियों की मैक्रोपोरस संरचना आयनिक प्रजातियों के अच्छे परिवहन की अनुमति देती है। जिन सामग्रियों को सिरेमिक एमएफसी में सफलतापूर्वक नियोजित किया गया है वे मिट्टी के बरतन,  अल्यूमिनियम ऑक्साइड , मुलाइट,  पाइरोफलाइट  और  टेरकोटा  हैं।

पीढ़ी प्रक्रिया
जब सूक्ष्मजीव एरोबिक स्थितियों में चीनी  जैसे पदार्थ का सेवन करते हैं, तो वे कार्बन डाइऑक्साइड और  पानी  का उत्पादन करते हैं। हालांकि, जब ऑक्सीजन मौजूद नहीं है, तो वे  सुक्रोज  के लिए नीचे वर्णित कार्बन डाइऑक्साइड,  हाइड्रोन (रसायन विज्ञान)  ( हाइड्रोजन आयन ) और  इलेक्ट्रॉन ों का उत्पादन कर सकते हैं:

माइक्रोबियल ईंधन सेल उत्पादित कोशिकाओं और चैनल इलेक्ट्रॉनों के इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला  में टैप करने के लिए  अकार्बनिक  मध्यस्थों का उपयोग करते हैं। मध्यस्थ बाहरी कोशिका  लिपिड झिल्ली  और जीवाणु बाहरी झिल्ली को पार करता है; फिर, यह इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला से इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करना शुरू करता है जो सामान्य रूप से ऑक्सीजन या अन्य मध्यवर्ती द्वारा लिया जाता है।

अब घटा हुआ मध्यस्थ इलेक्ट्रॉनों से लदे सेल से बाहर निकलता है जिसे वह एक इलेक्ट्रोड में स्थानांतरित करता है; यह इलेक्ट्रोड एनोड बन जाता है। इलेक्ट्रॉनों की रिहाई प्रक्रिया को दोहराने के लिए तैयार मध्यस्थ को अपनी मूल ऑक्सीकृत स्थिति में पुन: चक्रित करती है। यह केवल अवायवीय परिस्थितियों में ही हो सकता है; यदि ऑक्सीजन मौजूद है, तो यह इलेक्ट्रॉनों को एकत्रित करेगा, क्योंकि इसमें अधिक दहन  होता है।

एमएफसी ऑपरेशन में, एनोड एनोडिक कक्ष में बैक्टीरिया द्वारा मान्यता प्राप्त टर्मिनल इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता है। इसलिए, माइक्रोबियल गतिविधि एनोड की रेडॉक्स क्षमता पर अत्यधिक निर्भर है। एनोडिक क्षमता और एसीटेट  संचालित एमएफसी के बिजली उत्पादन के बीच एक माइकलिस-मेंटेन वक्र प्राप्त किया गया था। ऐसा लगता है कि एक महत्वपूर्ण एनोडिक क्षमता अधिकतम बिजली उत्पादन प्रदान करती है। संभावित मध्यस्थों में प्राकृतिक लाल, मेथिलीन नीला, थियोनाइन और रिसोरूफिन शामिल हैं। विद्युत प्रवाह उत्पन्न करने में सक्षम जीवों को exoelectrogen  कहा जाता है। इस करंट को प्रयोग करने योग्य बिजली में बदलने के लिए, एक्सोइलेक्ट्रोजेन को ईंधन सेल में समायोजित करना पड़ता है।

मध्यस्थ और एक सूक्ष्म जीव जैसे खमीर, एक समाधान में एक साथ मिश्रित होते हैं जिसमें शर्करा  जैसे एक सब्सट्रेट जोड़ा जाता है। ऑक्सीजन को प्रवेश करने से रोकने के लिए इस मिश्रण को एक सीलबंद कक्ष में रखा जाता है, इस प्रकार सूक्ष्म जीवों को अवायवीय श्वसन करने के लिए मजबूर किया जाता है। एनोड के रूप में कार्य करने के लिए समाधान में एक इलेक्ट्रोड रखा जाता है।

MFC के दूसरे कक्ष में एक अन्य समाधान और सकारात्मक रूप से आवेशित कैथोड है। यह जैविक कोशिका के बाहर, इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के अंत में ऑक्सीजन सिंक के बराबर है। समाधान एक ऑक्सीकरण एजेंट  है जो कैथोड पर इलेक्ट्रॉनों को उठाता है। जैसा कि यीस्ट सेल में इलेक्ट्रॉन श्रृंखला के साथ होता है, यह विभिन्न प्रकार के अणु हो सकते हैं जैसे ऑक्सीजन, हालांकि एक अधिक सुविधाजनक विकल्प एक ठोस ऑक्सीकरण एजेंट है, जिसके लिए कम मात्रा की आवश्यकता होती है।

दो इलेक्ट्रोड को जोड़ना एक तार (या अन्य विद्युत प्रवाहकीय पथ) है। सर्किट को पूरा करना और दो कक्षों को जोड़ना एक नमक पुल या आयन-विनिमय झिल्ली है। यह अंतिम विशेषता में वर्णित प्रोटॉन के उत्पादन की अनुमति देता है$$, एनोड कक्ष से कैथोड कक्ष तक जाने के लिए।

कम किया हुआ मध्यस्थ सेल से इलेक्ट्रोड तक इलेक्ट्रॉनों को ले जाता है। यहां मध्यस्थ ऑक्सीकृत होता है क्योंकि यह इलेक्ट्रॉनों को जमा करता है। ये तब तार के पार दूसरे इलेक्ट्रोड में प्रवाहित होते हैं, जो एक इलेक्ट्रॉन सिंक के रूप में कार्य करता है। यहां से वे ऑक्सीकरण सामग्री में जाते हैं। साथ ही हाइड्रोजन आयनों/प्रोटॉन को एनोड से कैथोड तक एक प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन जैसे नेफियन के माध्यम से ले जाया जाता है। वे कम सांद्रता प्रवणता की ओर बढ़ेंगे और ऑक्सीजन के साथ जुड़ेंगे लेकिन ऐसा करने के लिए उन्हें एक इलेक्ट्रॉन की आवश्यकता होगी। यह करंट उत्पन्न करता है और हाइड्रोजन का उपयोग सघनता प्रवणता को बनाए रखने के लिए किया जाता है।

माइक्रोबियल ईंधन सेल में सब्सट्रेट के रूप में उपयोग किए जाने पर शैवाल बायोमास को उच्च ऊर्जा देने के लिए देखा गया है।

यह भी देखें

 * बायोबैटरी
 * केबल बैक्टीरिया
 * डार्क किण्वन
 * इलेक्ट्रोहाइड्रोजेनेसिस
 * इलेक्ट्रोमेथेनोजेनेसिस
 * किण्वक हाइड्रोजन उत्पादन
 * ईंधन सेल शर्तों की शब्दावली
 * हाइड्रोजन परिकल्पना
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियां
 * फोटोकिण्वन
 * बैक्टीरियल नैनोवायर

संदर्भ

 * Yue P.L. and Lowther K. (1986). Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a Biochemical Fuel Cell. The Chemical Engineering Journal, 33B, p 69-77
 * Yue P.L. and Lowther K. (1986). Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a Biochemical Fuel Cell. The Chemical Engineering Journal, 33B, p 69-77
 * Yue P.L. and Lowther K. (1986). Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a Biochemical Fuel Cell. The Chemical Engineering Journal, 33B, p 69-77
 * Yue P.L. and Lowther K. (1986). Enzymatic Oxidation of C1 compounds in a Biochemical Fuel Cell. The Chemical Engineering Journal, 33B, p 69-77

बाहरी कड़ियाँ

 * DIY MFC Kit
 * BioFuel from Microalgae
 * Sustainable and efficient biohydrogen production via electrohydrogenesis – November 2007
 * Microbial Fuel Cell blog A research-type blog on common techniques used in MFC research.
 * Microbial Fuel Cells This website is originating from a few of the research groups currently active in the MFC research domain.
 * Microbial Fuel Cells from Rhodopherax Ferrireducens An overview from the Science Creative Quarterly.
 * Building a Two-Chamber Microbial Fuel Cell
 * Discussion group on Microbial Fuel Cells
 * Innovation company developing MFC technology