Электричество из сточных вод. Российские химики заставят микробы работать

Ряд микроорганизмов способен питаться в бескислородной среде за счет окисления органики, при этом выделяя во внешнюю среду электроны. Еще в начале XX века ученые пытались использовать такие микроорганизмы – экзоэлектрогены – для производства электричества, но до недавнего времени мощность МТЭ оставалась незначительной. Работать микробная батарея может на самой разной органике – в том числе на сточных водах или отходах производств.

Поиск оптимальной конфигурации МТЭ, как объяснили ученые, – непростая задача, требующая математического моделирования с учетом материала электродов, концентрации и скорости подачи органического субстрата, рН среды, геометрии системы и других факторов.

"Мы создали комплексную модель МТЭ, превосходящую аналоги по детализации, в которой одновременно учли рост микробной популяции, темпы потребления и образования окисляемой органики, электромиграцию протонов между электродами, диффузию органических компонентов и кинетику электрохимических реакций. Используя модель, мы рассчитали новые фундаментальные закономерности системы и оптимизировали одну из ключевых характеристик – концентрацию органического субстрата", – рассказала доцент Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделлева Виолетта Василенко.

Субстратом в батареях послужил раствор глюкозы в смеси солей, а источником микроорганизмов – активный ил, используемый для очистки сточных вод. Результаты исследования ученых РХТУ им. Д.И. Менделеева опубликованы в журнале Energies.

По результатам экспериментов ученые уточнили значения численных параметров, заложенных в модель, а затем с помощью модели рассчитали оптимальную концентрацию глюкозы в питательном растворе. Аналогичным образом с помощью предложенной модели могут быть оптимизированы и другие ключевые параметры МТЭ, отметили ученые.

Как сообщил ведущий научный сотрудник Химического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Анатолий Антипов, на фоне неуклонного роста потребления электроэнергии постоянно увеличивается спрос на различные электрогенераторы на возобновляемом органическом сырье.

"Работа МТЭ определяется целым ансамблем сложных факторов, начиная от особенностей эволюции бактериальной среды и заканчивая кинетикой протекающих электродных реакций. В силу этого экспериментальная оптимизация МТЭ зачастую становится крайне объемной задачей. Модель, созданная коллегами из РХТУ, помогает подобрать ключевые параметры на основе математических предсказаний, тем самым значительно сокращая объемы экспериментов", – заявил Анатолий Антипов.

Исследование проведено сотрудниками кафедры информационных компьютерных технологий и кафедры биотехнологии РХТУ им. Д.И. Менделеева совместно с исследователями из ИФХЭ РАН им. А.Н. Фрумкина и Университета Генуи (Италия). В дальнейшем ученые РХТУ им. Д.И. Менделеева планируют использовать новую модель для разработки гибридной системы для очистки сточных вод с синхронной генерацией электроэнергии.

РХТУ им. Д.И. Менделеева – опорный университет химической отрасли России и лидер среди химико-технических вузов. Работа университета направлена как на создание новых технологий, так и на их внедрение в промышленность: передовые исследования и подготовку молодых специалистов осуществляют 40 кафедр и 20 лабораторий, в распоряжении университета – опытные и экспериментальные производства, технопарк и инновационно-технологический центр.