Σιαφίκου Μ.1, Σπαή Μ.2, Σπίγγου Μ.3, Σωτηροπούλου Α.Λ.4, Τσάκου Δ.5 1,2,3,4,5 Γυμνάσιο Ελληνογαλλικής Σχολής Ουρσουλινών
siafikoumelina@gmail.com 1, mariaalex.spais@gmail.com 2, m.spingou@e-ursulines.gr 3, a.sotiropoulou@e-
ursulines.gr 4, demietsakou@gmail.com 5
Επιβλέπουσες Καθηγήτριες: Ξενοπούλου Δήμητρα6, Νικολοπούλου Έλενα7 Καθηγήτρια Βιολογίας M.Sc6 , Καθηγήτρια Βιολογίας Ph.D7 Ελληνογαλλική Σχολή Ουρσουλινών
dxenopoulou@gmail.com 6, elena.nikolopoyloy@gmail.com 7
Περίληψη
Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις των ανθρώπων και οι ακραίες κλιματικές αλλαγές καθιστούν επιτακτική την ανάγκη χρήσης πηγών ενέργειας, φιλικών προς το περιβάλλον. Η μετάβαση από την υπερβολική χρήση ορυκτών καυσίμων στην αξιοποίηση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και την εφαρμογή καινοτόμων λύσεων αποτελούν κύριες προκλήσεις του 21ου αιώνα. Μικροοργανισμοί όπως οι ζύμες αρτοποιίας (Saccharomyces cerevisiae) πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής και μπορούν να χαρακτηριστούν ΚΥΨΕΛΕΣ ΒΙΟΛΟΓΙΚΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα με ηλεκτροχημικό τρόπο. Σκοπός της ερευνητικής μας εργασίας, είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη ζύμωση της γλυκόζης, αξιοποιώντας μικροοργανισμούς ως βιοκαταλύτες και η μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία. Στο πλαίσιο της εργασίας δημιουργήθηκε απλό ηλεκτροχημικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας ζυμομύκητες, γλυκόζη/ σακχαρόζη ως υποστρώματα για τη ζύμωση και ηλεκτρόδια σιδήρου. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μετρήθηκαν η παραγόμενη τάση και το ρεύμα και η επίδραση σε αυτά παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, το pH και η συγκέντρωση γλυκόζης. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν 3 φορές, ακολούθησε στατιστική επεξεργασία των δεδομένων και διαγραμματική ανάλυση των αποτελεσμάτων. Η εργασία προάγει την χρήση καθαρής ενέργειας, μέσω ΑΠΕ (Στόχος 7 ΟΗΕ), την ενίσχυση της καινοτόμου έρευνας (Στόχος 9 ΟΗΕ) στα πλαίσια σχεδιασμού προσαρμοστικών βιώσιμων πόλεων (Στόχος 11 ΟΗΕ) προάγοντας την ευημερία χωρίς κατασπατάληση πόρων.
Λέξεις – κλειδιά: ζύμες αρτοποιίας, κυψέλες βιολογικού καυσίμου, ηλεκτρική ενέργεια
Εισαγωγή
Οι συνεχώς αυξανόμενες ενεργειακές απαιτήσεις των ανθρώπων και οι ακραίες κλιματικές αλλαγές, καθιστούν επιτακτική την ανάγκη χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (Α.Π.Ε.), φιλικών προς το περιβάλλον (Smith et al., 2022). Η μετάβαση από την υπερβολική χρήση ορυκτών καυσίμων στην αξιοποίηση Α.Π.Ε. και την εφαρμογή καινοτόμων λύσεων αποτελούν κύριες προκλήσεις του 21ου αιώνα.
Μία από τις πιο ενδιαφέρουσες και ταυτόχρονα υποσχόμενες τεχνολογίες είναι η χρήση μικροοργανισμών (Logan,B. E. et al. 2012), ως βιοκαταλύτες, για την βιοηλεκτροχημική παραγωγή ενέργειας (Microbial Electrochemical Technologies – METs). Η βιομάζα που απορρίπτεται αποτελεί φτηνή και σχετικά άφθονη πηγή ηλεκτρονίων, για μικροοργανισμούς ικανούς να παράξουν ηλεκτρικό φορτίο. Τα γαλβανικά στοιχεία, αποτελούμενα από δύο ηλεκτρόδια και έναν ηλεκτρολύτη, είναι συσκευές που μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, μέσω μίας αυθόρμητης ηλεκτροχημικής αντίδρασης οξειδοαναγωγής (redox). Οι κυψέλες καυσίμου (Fuel cells – FC) είναι συσκευές μετατροπής της χημικής ενέργειας ενός καυσίμου (Laguna- Bercero,M. A., 2020), όπως το υδρογόνο, απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια, μέσω ηλεκτροχημικών αντιδράσεων, με κύρια παραπροϊόντα νερό και θερμότητα, χωρίς επιβλαβείς εκπομπές (καύσιμο + Ο2 à Q + Η2Ο +Εηλ). Μικροοργανισμοί, όπως οι ζύμες αρτοποιίας (πχ. Saccharomyces cerevisiae ή βλαστομύκητες ή μαγιά), πραγματοποιούν χημικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής (Zhang et al., 2021) και μπορούν να χαρακτηριστούν κυψέλες βιολογικού καυσίμου (Microbial Fuel Cells – MFCs), παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα με ηλεκτροχημικό τρόπο (Beyenal, H. et al. 2021). Οι MFCs λειτουργούν υπό ήπιες συνθήκες, σε κανονική ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασίες 20°C – 37°C, που είναι ευνοϊκές για την ανάπτυξη των περισσότερων μικροβίων.
Σκοπός της ερευνητικής μας εργασίας, είναι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τη ζύμωση της γλυκόζης, αξιοποιώντας μικροοργανισμούς ως βιοκαταλύτες και η μελέτη των παραμέτρων που επηρεάζουν αυτή τη διαδικασία. Μέσω της κατασκευής ενός απλού ηλεκτροχημικού κυκλώματος – ως πειραματικό μοντέλο μίας MFC – με ηλεκτρόδια σιδήρου, διερευνώνται οι παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση του συστήματος, όπως η θερμοκρασία, το pH, η συγκέντρωση του βιοκαταλύτη, καθώς και το είδος υποστρώματος (γλυκόζη – μονοσακχαρίτης, μαλτόζη – δισακχαρίτης). Η εργασία προάγει την χρήση καθαρής ενέργειας, μέσω ΑΠΕ (Στόχος 7 ΟΗΕ) (United Nations, 2015), την ενίσχυση της καινοτόμου έρευνας (Στόχος 9 ΟΗΕ) στα πλαίσια σχεδιασμού προσαρμοστικών βιώσιμων πόλεων (Στόχος 11 ΟΗΕ) προάγοντας την ευημερία χωρίς κατασπατάληση πόρων.
Υλικά – Μέθοδοι
Η τυπική διάταξη μιας MFCs περιλαμβάνει σύστημα δύο χώρων (Εικόνα 1 – Παράρτημα): το καύσιμο που αναφέρεται ως υπόστρωμα τροφοδοτείται στην πλευρά της ανόδου και οξειδώνεται, παράγοντας κατιόντα υδρογόνου και ηλεκτρόνια. Στο πλαίσιο της εργασίας δημιουργήθηκε απλό ηλεκτροχημικό κύκλωμα χρησιμοποιώντας ζυμομύκητες, γλυκόζη αρχικά ως υπόστρωμα για τη ζύμωση και ηλεκτρόδια σιδήρου. Η γλυκόζη επιλέγεται καθώς είναι το προτιμώμενο υπόστρωμα για τη μαγιά αρτοποιίας, επειδή δεν απαιτεί
υδρόλυση και μπορεί να εμπλακεί άμεσα στο μεταβολικό μονοπάτι της γλυκόλυσης. Ο μεταβολισμός της γλυκόζης ως υπόστρωμα απεικονίζεται στον Πίνακα 1 (Παράρτημα). Σημαντική παράμετρος, είναι το χαμηλό κόστος του κυκλώματος και η ασφάλειά του από πλευράς τοξικότητας, δεδομένου ότι ο βιοκαταλύτης (μαγιά) είναι φθηνός και πωλείται στα σουπερμάρκετ. Η πορεία της παρούσας ερευνητικής εργασίας σχεδιάστηκε σε δύο βήματα, ως εξής:
- Μελέτη της οξειδοαναγωγικής δραστηριότητας της μαγιάς (1ο πείραμα): αποτελεί το εισαγωγικό μέρος για την αρχή λειτουργίας της MFC
- Σχεδιασμός και κατασκευή ενός πειραματικού μοντέλου MFC, χωρίς συνεχή παροχή υποστρώματος και ταυτόχρονη αφαίρεση προϊόντων (2ο πείραμα)
Μελέτη της οξειδοαναγωγικής δραστηριότητας της μαγιάς (1ο πείραμα)
Με αυτήν την απλή πειραματική εργασία επιβεβαιώνεται η απελευθέρωση ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια του μεταβολισμού της μαγιάς. Η χημική ένωση «μπλε του μεθυλενίου», ως δείκτης οξειδοαναγωγής, όταν δέχεται ηλεκτρόνια μεταβάλλει το μπλε χρώμα του και αποχρωματίζεται (Εικόνα 2 – Παράρτημα). Αναλυτικότερα, ο δείκτης προσλαμβάνει ηλεκτρόνια από το μεταβολικό μονοπάτι διάσπασης της γλυκόζης και ανάγεται.
Όργανα – υλικά: 1 ποτήρι ζέσεως (25 ml), ράβδος ανάδευσης, αποξηραμένη μαγιά (2g), απεσταγμένο νερό (30ml), γλυκόζη (4g), διάλυμα μπλε του μεθυλενίου (4-6 σταγόνες)
Μεθοδολογία: 1. Διαλύουμε 1 g μαγιάς σε 15 ml απεσταγμένου νερού σε ένα ποτήρι ζέσεως. 2. Προσθέτουμε 2 g γλυκόζης στο εναιώρημα μαγιάς και αναδεύουμε. 3. Προσθέτουμε 2-3 σταγόνες μπλε του μεθυλενίου στο εναιώρημα και αναδεύουμε.4. Φωτογραφίζουμε το διάλυμα ως διάλυμα αναφοράς. 5. Μετράμε τη θερμοκρασία περιβάλλοντος θ=22°C. 6. Αφήνουμε το εναιώρημα σε ηρεμία μέχρι να παρατηρήσουμε σημαντική αλλαγή στο χρώμα. 7. Φωτογραφίζουμε το τελικό διάλυμα και σημειώνουμε το χρόνο αποχρωματισμού. Επαναλαμβάνουμε το πείραμα χρησιμοποιώντας νερό θερμοκρασίας θ=30°C / 40°C και σημειώνουμε εκ νέου τον απαιτούμενο χρόνο αποχρωματισμού.
Σχεδιασμός και κατασκευή ενός πειραματικού μοντέλου MFC, χωρίς συνεχή παροχή υποστρώματος και ταυτόχρονη αφαίρεση προϊόντων (2ο πείραμα)
Στο μοντέλο η μαγιά λειτουργεί ως βιοκαταλύτης και η MFC είναι απλή στην κατασκευή της, με μόλις δύο δοχεία, που παρομοιάζουν τα γαλβανικά στοιχεία (Εικόνα 3 – Παράρτημα).
Όργανα – υλικά: 2 ποτήρια ζέσεως (25 ml), καλώδια με ακροδέκτες- κροκοδειλάκια, 2 ηλεκτρόδια σιδήρου, χαρτί κουζίνας εμβαπτισμένο σε διάλυμα αλατόνερου ως «γέφυρα αλάτων» για αύξηση της αγωγιμότητας, πολύμετρο, ράβδος ανάδευσης, αποξηραμένη μαγιά (1,5g), απεσταγμένο νερό (125ml), γλυκόζη ή μαλτόζη (2,5g).
Μεθοδολογία: 1. Διαλύουμε 1,5 g μαγιάς σε 25 ml απεσταγμένου νερού σε ένα ποτήρι ζέσεως. 2. Παρασκευάζουμε διάλυμα γλυκόζης 10%w/w σε ένα δεύτερο ποτήρι ζέσεως. 3. Προσθέτουμε 2,5g γλυκόζης στο διάλυμα της μαγιάς 4. Ενώνουμε τα δύο ποτήρια, χρησιμοποιώντας τη «γέφυρα» από χαρτί κουζίνας. 5.
Τοποθετούμε τα ηλεκτρόδια σιδήρου στην κυψέλη. 6. Παίρνουμε μετρήσεις της τάσης αμέσως και της έντασης μετά από 10 λεπτά.
Το παραπάνω πειραματικό πρωτόκολλο εφαρμόζεται χρησιμοποιώντας ως υπόστρωμα και μαλτόζη. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας καταγράφονται η παραγόμενη τάση και το ρεύμα και η επίδραση σε αυτά παραμέτρων όπως η θερμοκρασία, το pH και η συγκέντρωση γλυκόζης ή μαλτόζης. Οι πειραματικές μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν 4 φορές, χρησιμοποιώντας 2 διαφορετικές συγκεντρώσεις βιοκαταλύτη και δύο είδη υποστρώματος (γλυκόζη / μαλτόζη) σε 2 διαφορετικές συγκεντρώσεις αντίστοιχα, ακολούθησε στατιστική επεξεργασία των δεδομένων και διαγραμματική ανάλυση των αποτελεσμάτων με χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Python.
Αποτελέσματα
Μελέτη της οξειδοαναγωγικής δραστηριότητας της μαγιάς (1ο πείραμα)
Σε θερμοκρασία διαλύματος της μαγιάς θ=22°C, ο χρόνος αποχρωματισμού (Εικόνα 4 – Παράρτημα) είναι t=30min, ενώ όταν η θερμοκρασία αυξήθηκε (θ=30°C) ο αντίστοιχος χρόνος αποχρωματισμού μειώθηκε σημαντικά (t=2min). Σε θερμοκρασία θ=40°C παρατηρήθηκε άμεσος αποχρωματισμός (Πίνακας 2 – Παράρτημα).
Σχεδιασμός και κατασκευή ενός πειραματικού μοντέλου MFC, μέτρηση τάσης και έντασης ρεύματος (2ο πείραμα)
Η χρήση γλυκόζης (2,5g) ως υπόστρωμα έδωσε μέση τάση 131,75 mV και μέσο ρεύμα έντασης 11,3975 mA, σε 4 επαναλαμβανόμενες μετρήσεις (Πίνακας 3 – Παράρτημα). Η αύξηση της ποσότητας της γλυκόζης (8g) οδήγησε σε αυξημένες μέσες τιμές τάσης και έντασης του ρεύματος που μετρήθηκε (190,25 mV και 17,0125 mA αντίστοιχα). Η χρήση μαλτόζης, ως υπόστρωμα, ίσης ποσότητας, ενός δισακχαρίτη αποτελούμενο από δύο μόρια γλυκόζης, έδωσε χαμηλότερες τιμές τάσης και έντασης ρεύματος, συγκριτικά με τη γλυκόζη. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων παρουσιάζονται αναλυτικά στο Διάγραμμα 1 (Παράρτημα).
Συζήτηση
Ο χρόνος αποχρωματισμού του μπλε του μεθυλενίου είναι μικρότερος σε θερμοκρασία 30 – 40°C, γιατί σε αυτό το εύρος θερμοκρασιών εντοπίζεται η βέλτιστη για το μεταβολισμό της γλυκόζης θερμοκρασία. Η διαφορά δυναμικού που παρατηρείται οφείλεται στη μεταβολική δραστηριότητα της ζύμης στην άνοδο. Όσο μειώνεται η συγκέντρωση του υποστρώματος στην άνοδο και το pH μειώνεται, με αποτέλεσμα η μεταβολική δραστηριότητα να περιορίζεται και η τάση να μειώνεται. Oι φυσαλίδες που παρατηρούνται είναι το παραγόμενο CO2. Η αντικατάσταση του υποστρώματος (γλυκόζη à μαλτόζη) οδηγεί σε μείωση της τάσης και της έντασης του ρεύματος, συνεπώς και της συνολικής ενεργειακής απόδοσης, καθώς απαιτείται η υδρόλυσή της, με ενζυματική δράση της μαλτάσης, η οποία παράγεται από τη μαγιά, ώστε να είναι διαθέσιμη για χρήση από το ζυμομύκητα. Η υδρόλυση απαιτεί περισσότερο χρόνο και ενέργεια, καθώς η διαθεσιμότητα της γλυκόζης είναι πιο αργή. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται συγκριτικά στον Πίνακα 4 (Παράρτημα).
Συμπεράσματα
Η βιοηλεκτροχημική παραγωγή ενέργειας που παρουσιάζεται στη παρούσα ερευνητική εργασία βασίζεται στη χρήση μικροοργανισμών ως βιοκαταλυτών, οι οποίοι μετατρέπουν οργανικές ενώσεις, όπως η γλυκόζη, σε ηλεκτρικό ρεύμα. Η τεχνολογία αυτή έχει τη δυνατότητα να συμβάλει στην παραγωγή καθαρής ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα να προωθεί την αειφορία και την οικονομία της ενέργειας. Η προτεινόμενη διάταξη για κατασκευή MFC, με επιλογή του Saccharomyces cerevisiae, ως βιοκαταλύτη παρουσία γλυκόζης, επιβεβαιώνεται από προηγούμενα επιστημονικά δεδομένα (Gunawardena A, Fernando S, To F., 2008). Στα πλεονεκτήματά του καταγράφονται το χαμηλό κόστος αγοράς, η ευκολία στη διαθεσιμότητά του και στη συντήρησή του σε ξηρή μορφή, καθώς και το γεγονός ότι δεν είναι παθογόνο (Enas Taha Sayed et al. 2012, Manisha Verma, Vishal Mishra., 2021), οπότε είναι εύκολος και ασφαλής ο χειρισμός σε σχολικό περιβάλλον. Ωστόσο η απόδοση αυτού του πειραματικού μοντέλου είναι χαμηλότερη συγκριτικά με τη χρήση βακτηρίων, η διάρκεια ζωής του είναι περιορισμένη και επηρεάζεται εύκολα από τις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Η αύξηση της ποσότητας του υποστρώματος οδηγεί σε σημαντική αύξηση της τάσης και της έντασης, καθώς αυξάνεται η διαθεσιμότητα του υποστρώματος, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται σημαντικά η απόδοση της MFC. Η χρήση της μαλτόζης ως υπόστρωμα, καθυστερεί τη διαθεσιμότητα της γλυκόζης, με αποτέλεσμα τη μειωμένη παραγωγή ηλεκτρονίων και κατά συνέπεια τις χαμηλότερες τιμές τάσης και έντασης του παραγόμενου ρεύματος. Η υδρόλυση των δισακχαριτών αποτελεί περιοριστικό παράγοντα στην παραγωγή βιοηλεκτρικής ενέργειας, καθώς απαιτείται επιπλέον ενέργεια για τη διάσπαση του γλυκοζιτικού δεσμού. Η γλυκόζη αποτελεί καλύτερο υπόστρωμα για το ζυμομύκητα, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα στη γλυκόλυση, παράγοντας γρήγορα ηλεκτρόνια και κατιόντα υδρογόνου (Chaudhuri, S. K., & Lovley, D. R. 2003).
Στις μελλοντικές προεκτάσεις του παραπάνω πειραματικού μοντέλου MFC θα μπορούσε να αυξηθεί η απόδοση, με βελτιώσεις της αρχιτεκτονικής των MFC και των υλικών των ηλεκτροδίων (Rossi, R., Logan, B.E., 2021). Επιπρόσθετα θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν πειραματικές μελέτες για τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών θερμοκρασίας, pH και συγκεντρώσεων υποστρώματος/βιοκαταλύτη, ώστε να μεγιστοποιηθεί η απόδοση της κυψέλης.
Ευχαριστίες
Η παρούσα εργασία υλοποιήθηκε στο Εργαστήριο Φυσικών Επιστημών της Ελληνογαλλικής Σχολής Ουρσουλινών, έπειτα από την έγκριση της Γενικής Διεύθυνσης και της Διεύθυνσης του Γυμνασίου. Οι μαθητές – συγγραφείς θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε τους Διευθυντές για την υποστήριξη και τις επιβλέπουσες Καθηγήτριες Βιολογίας κ. Δήμητρα Ξενοπούλου και κ. Έλενα Νικολοπούλου, για την καθοδήγηση και τις πολύτιμες συμβουλές τους καθ’ όλη τη διάρκεια της ερευνητικής πορείας.
Βιβλιογραφικές Πηγές
Beyenal, H., Chang, I.S., Mohan, S.V., Pant, D., 2021. Microbial fuel cells: current trends and emerging applications. Bioresour. Technol. 324, 124687.
Chaudhuri, S. K., & Lovley, D. R. (2003). Electricity generation from glucose and starch using a yeast-mediated microbial fuel cell. Biotechnology Letters, 25(9), 743-746.
Enas Taha Sayed, Takuya Tsujiguchi, Nobuyoshi Nakagawa, Catalytic activity of baker’s yeast in a mediatorless microbial fuel cell, Bioelectrochemistry,Volume 86, 2012, Pages 97-101, ISSN 1567-5394,
Gunawardena A, Fernando S, To F. Performance of a yeast-mediated biological fuel cell. Int J Mol Sci. 2008 Oct;9(10):1893-1907. doi: 10.3390/ijms9101893. Epub 2008 Oct 8. PMID: 19325724; PMCID: PMC2635613.
Logan, B. E., & Rabaey, K. (2012). Conversion of wastes into bioelectricity and chemicals by using microbial electrochemical technologies. Science, 337(6095), 686-690.
Manisha Verma, Vishal Mishra. Recent trends in upgrading the performance of yeast as electrode biocatalyst in microbial fuel cells. Chemosphere, Volume 284, 2021, 131383, ISSN 0045-6535.
Rossi, R., Logan, B.E., 2021. Using an anion exchange membrane for effective hydroxide ion transport enables high power densities in microbial fuel cells. Chem. Eng. J. 422, 130150.
United Nations. (2015). Transforming our world: the 2030 Agenda for Sustainable Development.
Παράρτημα

Σχήμα 1: Διαγραμματική απεικόνιση μίας βιολογικής κυψέλης καυσίμου, μία τυπική διάταξη MFCs που περιλαμβάνει ένα σύστημα δύο χώρων.

Σχήμα 3: Απεικόνιση του πειραματικού μοντέλου MFC που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε στο εργαστήριο, στο οποίο η μαγιά λειτουργεί ως βιοκαταλύτης.

Πίνακας 2: Ο χρόνος αποχρωματισμού του δείκτη σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία του διαλύματος της μαγιάς.

Πίνακας 3: Υπολογισμός μέσης τιμής τάσης (mV) και έντασης (mA) παραγόμενου ρεύματος, με χρήση διαφορετικών συγκεντρώσεων (2,5g / 11g) και ειδών υποστρώματος και διαφορετικών συγκεντρώσεων βιοκαταλύτη (1,5g/ 8g).

Διάγραμμα 1: Σύγκριση τάσης και έντασης παραγόμενου ρεύματος, ανάλογα με την ποσότητα, το είδος του υποστρώματος και την ποσότητα του βιοκαταλύτη.




