Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu Ar.Gör. İsmail Ağır Uzm. Yasemin Toker Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Biyomühendislik Bölümü İstanbul 21 Mayıs 2012.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu Ar.Gör. İsmail Ağır Uzm. Yasemin Toker Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Biyomühendislik Bölümü İstanbul 21 Mayıs 2012."— Sunum transkripti:

1 Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu Ar.Gör. İsmail Ağır Uzm. Yasemin Toker Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Biyomühendislik Bölümü İstanbul 21 Mayıs 2012

2  Alternatif enerji ihtiyacı  Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH)  MYH bile ş enleri ve kullanılan malzemeler  Anot ve Katot Reaksiyonu  MYH’de Mikrobiyal Kültürler  Farklı MYH tasarımları  Atık Su Arıtımında MYH kullanımı  Sonuç  Kaynaklar

3  Günümüzde, insano ğ lunun teknolojiye ba ğ lı olarak artan günlük enerji ihtiyacının büyük bir kısmı, fosil yakıtlardan (mazot, do ğ al gaz, kömür) sa ğ lanmaktadır. Son yıllarda bilim dünyası, tükenece ğ i bilinen fosil yakıtlara, alternatif enerji kaynakları arayı ş ına yönelmektedir.  Bu alternatif enerji kaynaklarından biri de Mikrobiyal Yakıt Hücreleri’dir (MYH). Alternatif Enerji İ htiyacı Alternatif Enerji TürüKaynak veya yakıtı 1 Nükleer Enerji Uranyum gibi a ğ ır elementler 2 Güne ş Enerjisi Güne ş 3 Rüzgar Enerjisi Atmosferin hareketi 4 Dalga Enerjisi Okyanus ve denizler 5 Do ğ al Gaz Yer altı kaynakları 6 Jeo-termal Enerji Yer altı suları 7 Hidrolik potansiyel Nehirler 8 Hidrojen*Su ve hidroksitler 9 Biyomas,biyodizel ve biyogaz* Atıklar ve ya ğ lar 10 Biyoelektrik*Atıklar *Mikroorganizmalar yardımıyla üretilen alternatif enerji çe ş itleri

4  Organik atıklardaki kimyasal enerjiyi, mikroorganizmalar yardımı ile do ğ rudan elektrik enerjisine çeviren biyoreaktörlerdir.  MYH sistemi içinde bakteriler katalizör görevi görerek organik ve inorganik maddeleri yükseltgeyerek akım üretir. Mikrobiyal Yakıt Hücreleri (MYH)

5  Sisteme genel olarak bakıldı ğ ında, elektrokimyasal reaksiyonların gerçekle ş ti ğ i bir anot bölmesi, bir katot bölmesi ve proton de ğ i ş im membranından olu ş maktadır.  Anot  Katot  Proton de ğ i ş im membranı  Direnç  Anot bölmesindeki elektroda ba ğ lı olarak büyüyen mikroorganizmalar, ortamdaki organik maddeleri, hidrojen iyonuna ve elektronlara dönü ş türürler. MYH Bile ş enleri ve Kullanılan Malzemeler Mikrobiyal yakıt hücrelerinin ş ematik gösterimi (Kılıç ve ark., 2011)

6 Anot Grafit, grafit keçesi, karbon ka ğ ıt, karbon kuma ş, Pt, örülmü ş cam karbon (RVC) Esas bile ş en Katot Grafit, grafit keçesi, karbon ka ğ ıt, karbon kuma ş, Pt,, RVC Esas bile ş en Proton de ğ i ş im membranı Nafion, Ultrex, polietilen.poli (stiren-co-divinilbenzen); tuz köprüsü, porselen duvar veya sadece elektrolit Esas bile ş en Çe ş itli MFC düzeneklerinde kullanılan bile ş enler ve bu bile ş enlerin yapımında kullanılan malzemeler (Du,ve ark. 2007) Kullanılan Malzemeler

7 Substrat olarak asetatın kullanıldığı tipik bir MYH’nin anot ve katot bölmesinde gerçekleşen reaksiyonlar: Anot bölmesi reaksiyonu: CH 3 COO - + 2H 2 O 2CO 2 + 7H + + 8e - Katot bölmesi reaksiyonu: O 2 + 4e − + 4H + 2H 2 O Anot ve Katot Reaksiyonu Mikroorganizmalar Anot bölümünde bulunan elektrodun yüzeyi üzerinde büyüyen mikroorganizmalar, organik bileşikleri oksitleyerek hidrojen iyonu ve elektron oluştururlar. Biyokimyasal reaksiyonlar sonucu ortaya elektronlar bir direnç aracılığı ile anottan katoda doğru ilerleyerek elektrik akımı oluştururken, protonlar geçirgen membrandan katot bölmesine membran aracılığı ile geçerler. Katot bölmesine geçen protonlar burada bulunan oksijen ile birleşerek su oluştururlar. Katot bölmesine geçen pozitif yüklü protonların varlığı ile anot bölmesinde bulunan elektronlar katoda doğru çekilir ve böylece elektrik akımı oluşur (Du ve Li, 2007).

8  Mikrobiyal kültürlerin seçimi ve zenginle ş tirilmesi mikrobiyal yakıt hücrelerinin performansının optimizasyonunda önemlidir.  Mikroorganizmalar ayrıca anot bölmesinde bulunan elektrotlara spesifik izole türler dı ş ında karı ş ık kültürler olarak da uygulanmaktadırlar. Genel kanı saf kültürler ile yapılan çalı ş malarda elektrik üretiminin yüksek oldu ğ u ş eklindeydi fakat özellikle atık su arıtım uygulamalarında karı ş ık kültürlerin kullanımı bunun tersine daha iyi sonuçlar vermekte oldu ğ u görülmü ş tür (Kim ve ark., 2007).  Mikrobiyal kültürler anot çözeltisi içerisinde süspansiyon halinde bulunabilece ğ i gibi elektrot yüzeyine de immobilize edilebilmektedirler. Yapılan bir çalı ş mada grafit elektrot üzerine P. Vulgaris’in immoblizasyonunun sistemin yanıt zamanını azalttı ğ ı gösterilmi ş tir (Allen ve Bennetto, 1993). MYH’de Mikrobiyal Kültürler

9  Nanokablolar ile elektron aktarımı  Elektron mekikleri ile elektron aktarımı  Do ğ rudan elektron aktarımı

10  Actinobacillus succinogenes  Aeromonas hydrophila  Alcaligenes faecalis  Enterococcus gallinarum  Pseudomonas aeruginosa  Clostridium beijerinckii  Clostridium butyricum  Desulfovibrio desulfuricans  Erwinia dissolven  Escherichia coli  Geobacter metallireducens  Geobacter sulfurreducens  Gluconobacter oxydans  Klebsiella pneumoniae  Lactobacillus plantarum  Proteus mirabilis  Rhodoferax ferrireducens  Shewanella oneidensis  Shewanella putrefaciens  Streptococcus lactis  Ni ş asta  Glikoz  Asetat  Laktat  Melas  Ksiloz  Sükroz  Atıklar (Du ve ark, 2007; Logan, 2008)

11 Farklı MYH Tasarımları H tipi / İ ki bölmeli MYH iki ş i ş e arasındaki PEM olan sistemlerdir. Tek bölmeli MYH geni ş fırça anot ve plaka katot içerir. Düz plaka tipi MYH iki karbon ka ğ ıt elektrot arasında PEM içeren sürekli çalı ş maya uygun sistemlerdir. Yukarı akı ş lı sabit yatak biyofilm reaktörü İ ç tarafında sıralı boru katot olan silindirik biyoreaktör

12 (URL1, 2012) Güç: 40 mW/m2Güç: mW/m2 Sistem direnci: Ω Sistem direnci: Ω

13  Mikrobiyal yakıt hücrelerinin atık su arıtımı için kullanılabilece ğ i ilk olarak, Habermann ve Pommer (1991) tarafından ortaya atılmı ş tır (Du ve ark., 2007).  Endüstriyel ve evsel atık sulardaki yo ğ un organik karbon içeri ğ inin kullanıldı ğ ı MYH sistemleri ile atık su arıtımı sa ğ lanırken, di ğ er yandan elektrik enerjisi üretilebilmektedir.  Atık su arıtım prosesi dü ş ünüldü ğ ünde, MYH kullanımının sa ğ layaca ğ ı bazı avantajlar oldu ğ u görülmektedir:  Atık suyun organik madde içeri ğ i ve kolombik verime ba ğ lı olarak bir akım olu ş maktadır yani ürün, elektrik formundadır.  Havalandırmaya gereksinim duymaz bu da enerji ihtiyacını azaltır.  Atık su arıtım tesislerinde biyolojik arıtım sırasında havalandırma için geni ş yüzey alanı olu ş turulmaya çalı ş ılır ve çevreye atıkların kokusu da ğ ılır. MYH sisteminde havalandırma gerekmedi ğ i için bu sorun da olmayacaktır (Logan, 2007).  MYH kullanımı ayrıca metallerin geri kazanımınında da kullanılabilir (Yokoyama ve ark., 2006). Atık Su Arıtımında MYH Kullanımı

14 Atık su arıtım tesisinde mikrobiyal yakıt hücresi kurulumu (Rodrigo ve ark.’dan uyarlanmı ş tır, 2007) MYH sistemlerinin büyük ölçeklere uyarlanması atık su arıtım tesislerine entegrasyonu ile sa ğ lanabilecektir.

15 AtıksuMYH tipiAnotKatotMembran tipi Direnç ( Ω) Güç yoğunluğu R eferans Evsel atık su Tek bölmeli Grafit fiber fırça Pt kaplı grafit fiber W/m 3 Chen ve Logan, 2011 Nişasta işleme atık suyu Hava katot tek bölmeli Karbon kagıt Pt kaplanmış karbon kagıt Nafion ,4mW/m2Lu ve ark.,2009 Bira işleme atık suyu Hava katot tek bölmeliGrafit Pt + aktif karbon+ PTFE Nafion ,52 W/m 3 Wen ve ark.,2009 Domuz Atık suyu Tek bölmeli Karbon kağıt Pt kaplanmış karbon kağıt Nafion mW/m2 Min ve ark, 2005 İki bölmeli45mW/m2 Evsel atık su Tübüler sistem Grafit mW/m 2 Rodrigo ve ark., 2007

16  Yapılacak bir pilot tesisin ton atık i ş leyerek kWh/yıl elektrik üretece ğ i hesaplanmı ş (URL2)  O halde tam kapasitede ( ton bitkisel ve hayvansal atık) bu tesis 75 milyon kWh/yıl elektrik üretecektir.  Bu durumda 4 ki ş ilik bir ailenin yılda 3600 kWh elektrik tüketti ğ i göz önüne alınırsa (ki ş i ba ş ı 900 kWh/yıl) atıklardan elde edilen enerji ile ki ş inin elektrik ihtiyacı kar ş ılanır. Ayrıca evsel atık, kanalizasyon atıkları, endüstriyel atıklar da kullanılabilir…  ton atıktan üretilen biyogazdan yıllık 1 ila 2 milyar m3 do ğ algaz e ş de ğ eri gaz üretmek (ve biyogazı do ğ algaza dönü ş türmek) mümkündür.  Türkiye'nin yıllık do ğ algaz tüketimi 35 milyar m3 oldu ğ una göre, atıklardan biyogaz üretimi ile Türkiye do ğ algaz ihtiyacının % 3 ila % 6'sı kadarı biyogazdan kar ş ılanabilir (Erzincanlı, 2009).

17  İ stanbul nüfusu: ki ş i (URL3)  Ki ş i ba ş ı atık üretimi 1,28 kg/ki ş i-gün (atık eylem planı) Toplam katı atık kg katı atık/ gün (>6 milyon ton/yıl)  İ stanbul’da atık su arıtım tesislerindeki toplam atık su m3/gün (URL4) Ş imdiye kadar elde edilen maksimum güç çıkı ş ı nedir? Kesikli sisteme sahip MYH kullanarak Penn State laboratuvarında, 1,5 W/m2 kadar elde güç elde edilmi ş tir. Sürekli sistemde MYH kullanarak, akan evsel atık su 15.5 W/m3 civarında de ğ erler kaydedilmi ş tir. Bugün bir atık su arıtma tesisine MYH kurulacak olursa teorik olarak ne kadar güç üretilir? Penn State laboratuvarının ara ş tırmasına göre ki ş i ya da büyük bir sanayi tesisine hizmet veren bir atık su arıtma tesisinden 500 eve yetecek kadar yani 0,8 MW civarında güç üretilebilece ğ i tahmin ediliyor. MYH atık su arıtımına katkısı nedir? Atık su kullanılan MYH'ler, mevcut atık su arıtma tesisiyle kar ş ıla ş tırılabilir bir ölçüde organik madde giderimi sa ğ lamaktadır (URL5).

18  Bir noktada bir ülkenin ba ğ ımsızlı ğ ı “artık kendi enerjisini kar ş ılayabilme potansiyeli” ile belirlenmektedir (Ünalan, 2012). Bu nedenle enerji çalı ş maları çok önemlidir.  MYH ile elde edilen enerji sınırlı ve yüksek güç tüketen elektronik cihazların tüketimi için yeterli olmamaktadır.  Büyük ölçe ğ e geçti ğ inde elektrot büyüklü ğ ü artsa da sabit güç üretimi sa ğ lanamamaktadır (Devan ve ark., 2008).  Elektronik cihazların güç gereksinimlerini sa ğ lamak için kapasitör ile enerji saklandı ğ ı çalı ş malar da mevcuttur (Donavan ve ark., 2008, Shantaram ve ark., 2005).  Amaca uygun mikroorganizma seçilmeli ve mikroorganizmaların aklimatizasyonu sa ğ lanabilmelidir. Proteomik ve metabolomik ile birlikte geli ş en yeni sekanslama teknolojileri kullanılarak, mikrobiyal komuniteler üzerine çalı ş ılmalıdır.  Kullanılan katalizörlerin maliyetlerinin dü ş ürülmesi, sistem veriminin arttırılması ile ilgili yeni malzeme ve sistem geli ş tirme çalı ş maları sürdürülmelidir. SONUÇLARSONUÇLAR

19

20  Du, Z., Li, H., Gu, T A state of art review on microbial fuel cells: A promisig technology for wastewater treatment and bioenergy. Biotechnology Advances. 25:464–482.  Logan, Bruce E., Bert Hamelers, René Rozendal, Uwe Schröder, Jürg Keller, Stefano Freguia, Peter Aelterman, Willy Verstraete, and Korneel Rabaey., "Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology." Environmental Science & Technology 40.17:  Logan, B., Microbial Fuel Cells. Wiley-Interscience, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, U.S.A. ISBN  Alzate-Gaviria,L., Microbial Fuel Cells for Wastewater Treatment, Waste Water - Treatment and Reutilization. Chapter p. Fernando Sebastián García Einschlag (eds). InTech, USA. ISBN:  Cha, J., Choi, S., Yu, H,, Kim, H., Kim, C., Directly applicable microbial fuel cells in aeration tank for wastewater treatment. Bioelectrochemistry. 78: 72–79.  Ghangrekar, M. M., and V. B. Shinde. “Microbial Fuel Cell: A New Approach of Wastewater Treatment with Power Generation.” Paper presented at the International Workshop on R&D Frontiers in Water and Wastewater Management. Nagpur, India, 20–21 January  Lu et al, 2008 Electricity generation from starch processing wastewater using microbial fuel cell technology  Yokoyama, H., Ohmori, H., Ishida, M., Waki, M., Tanaka, Y., Treatment of cow-waste slurry by a microbial fuel cell and the properties of the treated slurry as a liquid manure. Animal Sci. J. 77: KAYNAKLAR

21  Chang, I., Jang, J., Gil, G., Kim, M., Kim, H., Cho, B., Continuous determination of biochemical oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor. Biosens Bioelectron. 19: 607–613.  Kim, J., Premier, G., Hawkes, F., Rodríguez, J., Dinsdale, R., Guwy, A., Modular tubular microbial fuel cells for energy recovery during sucrose wastewater treatment at low organic loading rate. Bioresour Technol. 101: 1190–1198.  Lee, H., Parameswaran, P., Kato-Marcus, A., Torres, C., Rittmann, B., Evaluation of energy conversion efficiencies in microbial fuel cells (MFCs) utilizing fermentable and nonfermentable substrates. Water Res. 42: 1501–1510.  Kılıç, A., Uysal, Y., Çınar, Ö., Laboratuvar Ölçekli Bir Mikrobiyal Yakıt Hücresinde Sentetik Atıksudan Elektrik Üretimi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 17:  Rodrigo, M.A., Canizares, P., Lobato, J., Paz, R., Saez, C., Linares,J.J.,2007. Production of electricity from the treatment of urban water using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources. 169:  Logan, B. E., Microbial fuel cells. Chapter 12, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey p.  M.A. Rodrigo, Canizares P., Lobato J., Paz R., Saez C., Linares J.J., Production of electricity from the treatment of urban waste water using a microbial fuel cell. Journal of Power Sources.169:198–204.  Lu N., Shun-gui Zhou, Li Zhuang, Jin-tao Zhang, Jin-ren Ni, Electricity generation from starch processing wastewater using microbial fuel cell technology. Biochemical Engineering Journal. 43:246–251.  Cheng S., Logan E.B., Increasing power generation for scaling up single-chamber air cathode microbial fuel cells. Bioresource Technology.102: 4468–4473  URL1:  URL 2:  URL 3:  URL 4:  URL5:


"Ar.Gör. Beste Çalımlıoğlu Ar.Gör. İsmail Ağır Uzm. Yasemin Toker Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Biyomühendislik Bölümü İstanbul 21 Mayıs 2012." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları