Come creare una cella a combustibile microbica

Una cella a combustibile microbica (MFC), o cella di desalinizzazione microbica, è un sistema bio-elettrochimico che produce una corrente elettrica utilizzando batteri e imitando le interazioni batteriche presenti in natura. Tali celle, oltre a essere interessanti per le applicazioni di generazione di energia che richiedono solo una bassa potenza, ma in cui la sostituzione delle batterie può essere poco pratica – come le reti di sensori wireless – fungono anche da ottimi strumenti educativi, in quanto comprendono molteplici discipline scientifiche (microbiologia, geochimica, ingegneria elettrica, ecc.)

L’idea di utilizzare i microbi per produrre elettricità, che oggi va di moda per il suo appeal nello sviluppo ambientale sostenibile, è stata concepita all’inizio del 20° secolo. M. C. Potter introdusse l’argomento nel 1911: egli riuscì a generare elettricità dal Saccharomyces cerevisiae, ma il lavoro ricevette poca attenzione. Nel 1931, Branet Cohen creò celle a combustibile semi-microbiche che, quando collegate in serie, erano in grado di produrre oltre 35 V con una corrente di soli 2 mA.

Uno studio di DelDuca et al. (1963) ha usato l’idrogeno prodotto dalla fermentazione del glucosio da parte del Clostridium butyricum come reagente all’anodo di una cella a combustibile a idrogeno e aria. Sebbene la cellula funzionasse, non era affidabile a causa della natura instabile della produzione di idrogeno da parte dei microrganismi. Questo problema è stato risolto da Suzuki et al. nel 1976, che produsse con successo un progetto di cella a combustibile microbica (MFC) un anno dopo.

Un esempio di kit di cella a combustibile microbica che puoi trovare online, ad es. qui.

Le celle a combustibile microbiche possono essere realizzate utilizzando materiali comunemente disponibili, come il fango, o di facile ed economica reperibilità. Inoltre, sono disponibili dei kit per progetti di scienze da fare a casa o nelle aule di scuola. In questo articolo vedremo come realizzarne una per produrre energia elettrica grazie all’azione dei microrganismi.

Cosa è una cella a combustibile microbica

I microbi sono in grado di produrre anaerobicamente una corrente elettrica nell’anodo dei sistemi bioelettrochimici (BES). Quando la corrente viene raccolta e utilizzata, il sistema viene anche chiamato cella a combustibile microbica (MFC). Una cella a combustibile microbica è dunque un dispositivo che converte l’energia chimica in energia elettrica tramite l’azione di microrganismi. Queste celle elettrochimiche sono costruite, più in generale, usando un bioanodo e/o un biocatodo.

La maggior parte di queste celle contiene una membrana per separare i compartimenti dell’anodo (dove avviene l’ossidazione) e il catodo (dove avviene la riduzione). Gli elettroni prodotti durante l’ossidazione vengono trasferiti direttamente su un elettrodo o su una specie di mediatore redox. Il flusso di elettroni viene spostato sul catodo. Il bilancio di carica del sistema è compensato dal movimento ionico all’interno della cellula, solitamente attraverso una membrana ionica.

Schema di una cella a combustibile microbica.

La maggior parte delle MFC utilizza un donatore di elettroni organico che viene ossidato per produrre CO2, protoni ed elettroni. Sono stati segnalati altri donatori di elettroni, come composti di zolfo o idrogeno. La reazione catodica utilizza una varietà di accettori di elettroni che include la riduzione dell’ossigeno come processo più studiato. Tuttavia, sono stati studiati altri accettori di elettroni, tra cui il recupero di metalli per riduzione, da acqua a idrogeno, riduzione dei nitrati e riduzione dei solfati.

Esistono due categorie generali di celle a combustibile microbiche: mediate e non mediate. Le prime celle, sviluppate all’inizio del 20° secolo, utilizzavano un mediatore: una sostanza chimica che trasferisce elettroni dai batteri nella cellula all’anodo. Le celle non mediate sono emerse negli anni ’70; in questo tipo di celle i batteri hanno tipicamente proteine redox elettrochimicamente attive come i citocromi sulla loro membrana esterna che possono trasferire elettroni direttamente all’anodo.

Mattoni forati usati in laboratorio come celle a combustibile microbiche.

Praticamente qualsiasi materiale organico potrebbe essere utilizzato per alimentare la cella a combustibile, compresi quelli presenti negli impianti di trattamento delle acque reflue. Le MFC utilizzano l’energia in modo più efficiente rispetto ai motori a combustione interna standard, che sono limitati dal ciclo di Carnot. In teoria, una MFC è in grado di efficienza energetica ben oltre il 50%. Rozendal ha ottenuto la conversione di energia in idrogeno 8 volte quella delle tradizionali tecnologie di produzione dell’idrogeno.

Le celle a combustibile microbiche possono funzionare anche su scala ridotta: in alcuni casi gli elettrodi possono avere uno spessore di soli 7 μm e una lunghezza di 2 cm, tale che una cella del genere può sostituire una batteria. Fornisce una forma rinnovabile di energia e non ha bisogno di essere ricaricata. Le MFC funzionano bene in condizioni miti, da 20 °C a 40 °C e anche a pH di circa 7. Le centrali elettriche più grandi possono essere basate su piante acquatiche come le alghe.

Una delle tante possibili implementazioni di una cella a combustibile microbica.

I tassi ottenuti dai microrganismi sono bassi rispetto agli attuali processi di produzione di (bio)energia, come la digestione anaerobica o altri processi di conversione elettrochimica. Pertanto, l’attenzione dovrebbe essere rivolta alle applicazioni a valore aggiunto speciale che combinano processi microbici molto nuovi con nicchie di applicazione intelligenti. Il futuro campo di applicazione celle a combustibile microbiche, allo stato dell’arte attuale, è situato nel concetto di sostenibilità.

Realizzazione di una cella a combustibile microbica

La prima cosa da fare è procurarsi del suolo delle zone umide – come ad esempio i sedimenti sabbiosi vicino ai fiumi – che ha tutti i tipi di batteri fantastici, uno dei quali è il “Geobacter”, un geobatterio (cioè un batterio che vive nel terreno) che produce elettroni come parte della sua digestione cellulare. Il Geobacter è un genere di proteobatteri. Le specie di Geobacter sono specie batteriche di respirazione anaerobica che hanno capacità che le rendono utili nel biorisanamento.

È stato scoperto che il Geobacter era il primo organismo con la capacità di ossidare composti organici e metalli, inclusi ferro, metalli radioattivi e composti del petrolio in anidride carbonica favorevole all’ambiente mentre utilizzava ossido di ferro o altri metalli disponibili come accettori di elettroni. Si è anche scoperto che le specie Geobacter sono in grado di respirare su un elettrodo di grafite. Sono stati trovati in condizioni anaerobiche nei suoli e nei sedimenti acquatici.

Una tipica zona dove si può trovare il Geobacter.

I batteri in questione producono IONI di idrogeno (uno ione è un atomo che ha perso elettroni) . Un ATOMO di idrogeno non è altro che un protone e un elettrone che si trova attorno ad esso: è un po’ come se la Terra fosse un protone e la luna fosse un elettrone, se togli la luna – cioè l’elettrone – tutto ciò che ti rimane è un singolo PROTONE, ovvero uno IONE di idrogeno.

Una membrana di scambio protonico (o PEM, come si suol dire), consente ai protoni di passare attraverso di essa e di ricombinarsi con l’ossigeno, e agli elettroni di formare un circuito e acqua (H20) come sottoprodotto. Per realizzare la membrana di scambio protonico della tua cella a combustibile hai bisogno di: 75 g di sale; 200 ml di acqua; 5 grammi di agar o gelatina.

L’agar serve come terreno di coltura per i batteri, una volta realizzate con esso delle piastre di gelatina. L’agar è insolubile a freddo, per cui prendi dell’acqua, portala a ebollizione e aggiungici dell’agar. Aggiungi del brodo di carne in polvere, zucchero e gelatina e mescola per un minuto fino a quando tutti gli ingredienti si sono sciolti (puoi trovare le esatte proporzioni dei componenti nei tutorial che abbondano sul web su come creare piastre di Petri per la coltivazione batterica).

Le piastre di terreno di coltura realizzato con l’agar (acquistabile in polvere ad es. qui).

Lascia raffreddare leggermente la nuova miscela per 10 minuti.  La miscela deve essere ancora calda per evitare l’attaccarsi della gelatina nella casseruola e per prevenire la contaminazione da batteri nell’aria. Le condizioni sono tutt’altro che sterili, ma si desidera evitare quanta più contaminazione possibile. Togli il coperchio da una capsula di Petri sterile e riempi a metà la capsula di Petri con la miscela calda.

Fai molta attenzione: togli il coperchio dalla capsula di Petri solo quando sei pronto a versare l’agar, altrimenti si contaminerà con i batteri presenti nell’aria. Riposiziona immediatamente il coperchio sulla capsula di Petri e riponila in frigorifero per circa 4 ore fino a quando l’agar si è fissato. Ora le piastre di gelatina sono pronte a far crescere batteri. Non toccare l’agar o lo contaminerai con batteri sulle dita. Nota: le capsule di Petri possono essere conservate in frigorifero per 1-2 giorni prima dell’uso.

A questo punto dovrai preparare l’anodo (-) della tua cella. Taglia le strisce di una retina metallica a maglie (circa 1 mm di diametro) e piegale in un quadrato. Collega un cavo elettrico alla retina metallica, che sarà il collegamento all’anodo. Digita su Google “come fare stoffa carbonizzata”: normalmente è fatta dai sopravvissuti per fungere da esca per la produzione di incendi, ma l’alto contenuto di carbonio farà crescere i batteri e scambiare i loro elettroni con il filo della retina metallica.

Collegamento dell’anodo alla retina metallica avvolta intorno alla stoffa carbonizzata sulla quale cresceranno i batteri.

Avvolgi la retina metallica attorno a uno spesso tappeto di questo tessuto di carbonio che nel frattempo ti sarai procurato. Puoi anche semplicemente togliere l’isolamento da un cavo elettrico multifilare e avvolgere i fili interni di metallo (rame) attorno a uno spesso tappetino in tessuto carbonizzato, se non hai a disposizione una retina metallica o le clip a coccodrillo per legarla al tessuto di carbonio.

A questo punto dovrai preparare il catodo (+) della tua cella. Togli l’isolamento da un filo elettrico rosso per esporre i “dendriti”, o i singoli fili di rame, e lasciali liberi. Ora sei pronto per passare alla fase successiva, che in pratica richiede l’esecuzione della seguente procedura:

  • Riempi un becher con il fango
  • Mettici dentro l’anodo (assicurati che l’anodo sia coperto di fango sopra e sotto)
  • Metti la piastra di gelatina in cima, cioè sopra l’anodo
  • Riempi delicatamente con acqua
  • Metti il catodo nell’acqua (metà dentro e metà fuori)

L’assemblaggio della cella con i relativi “strati” che la compongono.

A questo punto con un tester dovresti poter rivelare la produzione di energia elettrica: in pratica, una tensione ai capi dei due fili, quello dell’anodo quello del catodo. Dopo alcuni giorni puoi osservare l’aumento della tensione man mano che crescono più batteri sull’anodo, e a questo punto – se non vi sei già riuscito prima – sarai in grado di far accendere un led. Puoi cercare di migliorare la cella per portare la tensione da 500-600 mV a un valore più alto, o collegare in serie più celle.