Den mikrobielle brændselscelle Energicellen Gærceller laver elektricitet

Størrelse: px

Starte visningen fra side:

Download "Den mikrobielle brændselscelle Energicellen Gærceller laver elektricitet"

Christina Lauridsen
7 år siden
Visninger:

1 Dean Madden og John Schollar National Centre for Biotechnology Education, University of Reading 2 Earley Gate, Reading RG6 6AU UK E: D.R.Madden@reading.ac.uk Energicellen Gærceller laver elektricitet Formål At give en inspirerende introduktion til respirationsprocessen At studere forskellige faktorer som har indflydelse på mikrobiel respiration At vise hvordan organisk affald vil kunne bruges til at generere elektricitet Introduktion I årtier har det været en biologisk kuriøsitet, at mikrober kunne producere elektricitet. I dag forestiller man sig, at man snart kan benytte mikrobielle brændselsceller som energikilder i eksempelvis ure og kameraer eller som energiressource i den tredje verden og at man med fremtidens bioreaktorer vil kunne omdanne industrielt affald til energi., der arbejdes med her, danner en lille elektrisk strøm ved at flytte elektroner fra elektrontransportkæden i gær (figur 1). Brændselscellen kan benyttes til at studere respirationsprocessen fra en ny og mere interessant vinkel. Ligeledes kan den mikrobielle celle ses som endnu en mulighed for at producere alternativ energi. Figur 1 elektroner anode V katode 4 4 glukose carbondioxid gærceller elektrontransportkæden metylenblå (reduceret) metylenblå (oxideret) 4 H + kalium hexacyanoferrat Fe(CN) 6 3- Fe(CN) 6 4- kationpermeabel membran

2 Udstyr og materialer Materialer per gruppe Udstyr Brændselscelle skåret i 4 mm tyk plexiglas Neophrenpakning (gummipakning), 2 stk Kationpermeabel membran (kationmembran) klippet til, så den passer til kammeret (membranen kan genbruges uendeligt, men hvis den autoklaveres smelter den). 10 ml plastiksprøjte, 2 stk bruges til at tilføre væsker Petriskål e.l. til at stille brændselscellen på Ledninger med krokodillenæb 0 5 V voltmeter eller multimeter e.l. Sakse Materialer Carbonfiberelektroder klippet til så de passer, 2 stk (se figur 2) Gazestofstykker, klippet til så de passer inde i cellen, 2 stk Opløsninger Alle opløsninger fremstilles i 0,1 M fosfatbuffer, ph 7,0, i stedet for vand. Tørgær eller alm. gær opslemmes til en tyk grød i 0,1 M fosfatbuffer (tilsæt ikke glucoseopløsningen uden først at opslemme gæren i buffer) 10 mm metylenblåopløsning, 5 ml 1 M glucoseopløsning, 5 ml 0,02 M kaliumhexacyanoferrat (III)-opløsning, 10 ml (kaldes også kaliumferricyanid) (329,26 g/mol) Fremstilling af 0,1 M fosfatbuffer, ph 7,0 Opløs 4,08 g Na 2 HPO 4 og 3.29 g NaH 2 PO 4 i 500 ml destilleret vand. Figur 2 Carbonfibermaterialet, som elektroderne skal klippes af, har ligesom nogle korn og for at sikre at elektrodens hale ikke går i stykker, men vil kunne stikkes igennem brændselscellens hul, er det nødvendigt at klippe og folde elektroden som vist her. kornenes retning afklip For at lave en hale på elektroden klippes ca. halvt igennem det øverste stykke, fold derefter stykket på midten. Og fold derefter en sidste gang. Se figuren. brændselscellens bredde

3 Fremgangsmåde Fremstil to carbonfiberelektroder som vist på figur 2. Klip 2 stykker gaze til, så de passer i brændselscellen Gazen sørger for at de to elektroder ikke bøjer ud og berører kationmembranen. Saml brændselscellen som vist på figur 3. Placer den samlede brænselscelle i en petriskål e.l., så eventuelle væsker, der lækker, opsamles. Bland gæropløsningen, glucoseopløsningen og metylenblåopløsningen i et bægerglas. Med sprøjten overføres blandingen til det ene kammer. Overfør derefter kaliumhexacyanoferrat (III)-opløsningen til det andet kammer. Forbind elektroderne til et voltmeter eller multimeter. En brændselscelle som denne vil typisk generere 0,4 0,6 V og 3 50 ma. Der bør dannes strøm med det samme hvis voltmeteret viser 0 tjekkes det, at elektroderne ikke rører kation-membranen. Figur 3 Sådan samles brændselscellen hul til påfyldning af kammeret neophrenpakning carbonfiberelektrodens hale kationpermeabel membran ENDEPLADE gazen hindrer elektroden i at berøre membranen kammeret limes på endepladen med superlim

4 Sikkerhed Omgå kemikalierne med forsigtighed se nærmere på sikkerhedsdatabladene. Forberedelse Alle opløsninger fremstilles i forvejen. Lad kation-membranen ligge i vand i 24 timer før brug. Hvis der benyttes tør-gær kan det opslemmes, mens brændselscellen samles. Tidsforbrug Det tager ca 30 minutter at samle brændselscellen. Supplerende undersøgelser For at få en større spænding kan flere brændselsceller forbindes og der kan trækkes en lille motor. Hvis brændselscellens størrelse øges (øget membranareal) vil der fås en højere strømstyrke, men ikke en øget spænding. Hvilke spændinger opnås, hvis forsøget foretages ved forskellige temperaturer? Giver forskellige typer gær (fx vingær) forskellige spændinger i forsøgskammeret? Hvordan er spændingsfaldet med tiden? Benyt dataopsamling. Hvor køber man brændselscellen?, der er beskrevet her købes hos National Centre for Biotechnology Education, University of Reading, England: Litteratur Bennetto, P. (1987) Microbes come to power New Scientist 16 April (114) Bennetto, H. P. (1990) Electricity generation by micro-organisms BIO/technology Education, 1 (4) Sell, D. (2001) Bioelectrochemical fuel cells. In: Biotechnology. Volume 10: Special processes (Second edition) Rehm, H.-J. and Reed, G. [Eds] Wiley-VCH, Frankfurt am Main. Kim, B.-H. et al (1999) Direct electrode reaction of Fe (III)-reducing bacterium Shewanella putrefaciens Journal of Microbiology and Biotechnology, 9 (2) Chang, I.-S. et al (2006) Electrochemically-active bacteria (EAB) and mediator-less microbial fuel cells Journal of Microbiology and Biotechnology, 16 (2)

5 Affaldsbehandling Kaliumhexacyanoferrat (III) (kaliumferricyanid) kasseres i henhold til reglerne. Opbevaring af materialerne Kaliumferricyanid-opløsningen er lysfølsom og bør derfor opbevares i en mørk lystæt flaske eller man kan tildække flasken med folie. Opløsningen kan opbevares i 6 måneder ved stuetemperatur. For at undgå, at skulle lægge kationmembranen i vand i 24 timer, kan den langtidsopbevares i destilleret vand. Drejer det sig om meget lang tid, bør vandet af og til skiftes. Tør-gær har begrænset holdbarhed og hvis gæraktiviteten skal være optimal, bør anvendes før datoen respekteres. Om resultatet En mikrobiel brændselscelle af denne type kan typisk generere 0,4 0,6 V og 3 50 ma. Hvis cellen hele tiden er helt fyldt op kan den generere strøm i adskillige dage. Tak r er udviklet af Dr Peter Bennetto tidl. Department of Chemistry, King s College, London. Den er tilpasset undervisningsbrug af Dean Madden og John Schollar.

Relaterede dokumenter

DNA-smykke Simpel ekstraktion af DNA fra kindceller fra mennesket, som er velegnet til at bruge i et halssmykke

DNA-smykke Simpel ekstraktion af DNA fra kindceller fra mennesket, som er velegnet til at bruge i et halssmykke 145678 John Schollar and Dean Madden National Centre for Biotechnology Education, University of Reading Science and Technology Centre, Earley Gate, Reading RG6 6BZ UK E: J.W.Schollar@reading.ac.uk Simpel