• Rezultati Niso Bili Najdeni

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE Univerzitetni študij

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE Univerzitetni študij"

Copied!
27
0
0

Celotno besedilo

(1)

II

UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA

ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE

Marija KULEBANOVA

BIOFOTOVOLTAIKA KOT ZELENE ELEKTRARNE PRIHODNOSTI

DIPLOMSKO DELO

Univerzitetni študij - 1. stopnja

Ljubljana, 2021

(2)

III UNIVERZA V LJUBLJANI

BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE

Marija KULEBANOVA

BIOFOTOVOLTAIKA KOT ZELENE ELEKTRARNE PRIHODNOSTI

DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja

BIOPHOTOVOLTAICS AS GREEN ELECTRIC POWER PLANTS OF THE FUTURE

B. SC. THESIS Academic Study Programmes

.

Ljubljana, 2021

(3)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

II

Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje Biotehnologija.

Študijska komisija 1. in 2. stopnje študija biotehnologije je za mentorja diplomskega dela imenovala prof. dr. Jakše Jernej.

Komisija za oceno in predstavitev:

Predsednik: prof. dr. Polona JAMNIK

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za živilstvo Član: prof. dr. Jernej JAKŠE

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Član: doc. dr. Minja ZORC

Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za zootehniko

Datum predstavitve: 03.09.2021

(4)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

III

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1

DK UDK 602.3:620.925:579.83:581.174(043.2)

KG biofotovoltaika, fotosinteza, energija, mikroorganizmi, cianobakterije, mikroalge, elektrokemija, biotehnologija

AV KULEBANOVA, Marija SA JAKŠE, Jernej (mentor)

KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, Univerzitetni študijski program prve stopnje Biotehnologija

LI 2021

IN BIOFOTOVOLTAIKA KOT ZELENE ELEKTRARNE PRIHODNOSTI TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja)

OP VIII, 18 str., 10 sl., 24 vir.

IJ sl JI sl/en

AI Z naraščanjem svetovne populacije ljudi se povečujejo tudi potrebe po energiji. Znatno povečanje svetovne porabe energije skupaj z rastjo števila prebivalstva vodi do prekomernih emisij ogljika v ozračje in pojava podnebnih sprememb. To zahteva razvoj učinkovitih energetskih naprav, da bi zadovoljili ogromno povpraševanje po energiji in zahteve po zniževanju ogljikovih izpustov. Primarni vir energije za življenje na planetu Zemlji je sončna energija. Sončna energija se s fotosintezo vstavi v biosfero. To je fizikalno-kemijski proces, pri katerem rastline, alge in nekatere bakterije pretvarjajo sončno energijo v kemično energijo preko organskih snovi. Proizvodnjo električne energije s strani fototrofnih organizmov med osvetljevanjem imenujemo biofotovoltaika (BPV). Biofotovoltaika je tehnologija za pridobivanje energije iz kisikovih fotoavtotrofnih organizmov. Naprave BPV lahko opišemo kot biološki elektrokemični sistem ali "žive sončne celice". V sistemu BPV fotoliza vode generira elektrone, ki se nato prenesejo na anodo. Ustvari se relativno visoka potencialna reakcija na katodi in tok teče skozi zunanje vezje zaradi nastale razlike potencialov. Uporaba živega organizma kot medija za nabiranje svetlobe, ki se lahko sam sestavi in popravi lahko naredi BPV stroškovno učinkovitejšo od drugih fotovoltaičnih tehnik. Raziskave biofotovoltaike so še v začetni fazi razvoja. To je glavni razlog, da trenutno še ne moremo uspešno uporabljati biofotovoltaike kot vir energije in celostno zamenjati fosilnega goriva. Veliko do sedaj izvedenih raziskav je neprimerljivih, saj manjkajo statistični podatki.

(5)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

IV

KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1

DC UDC 602.3:620.925:579.83:581.174(043.2)

CX biophotovoltaics, photosynthesis, energy, microorganisms, cyanobacteria, microalgae, electrochemistry, biotechnology

AU KULEANOVA, Marija AA JAKŠE, Jernej (supervisor)

PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101

PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Academic Study Programme in Biotechnology

PY 2021

TI BIOPHOTOVOLTAICS AS GREEN ELECTRIC POWER PLANTS OF THE FUTURE

DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes) NO VIII, 18 p., 10 fig., 24 ref.

LA sl AL sl/en

AB As the world's population grows, so does the need for energy. A significant increase in global energy consumption together with population growth leads to excessive carbon emissions into the atmosphere and the emergence of climate change. This requires the development of efficient energy devices to meet the huge demand for energy and the demand to reduce carbon emissions. The primary source of energy for life on the planet Earth is solar energy. Solar energy is inserted into the biosphere through photosynthesis.

It is a physico-chemical process in which plants, algae and some bacteria convert solar energy into chemical energy through organic matter. The production of electricity by phototrophic organisms during illumination is called biophotovoltaics (BPV).

Biophotovoltaics is a technology for obtaining energy from oxygen photoautotrophic organisms. BPV devices can be described as a biological electrochemical system or

“living solar cells”. In the BPV system, the photolysis of water generates electrons, which are then transferred to the anode. A relatively high potential reaction is created at the cathode and current flows through the external circuit due to the resulting potential difference. The use of a living organism as a self-assembling and self-assembling light- collecting medium can make BPV more cost-effective than other photovoltaic techniques. Scientific research into biophotovoltaics is still in the early stages of development. This is the main reason why we cannot currently successfully use biophotovoltaics as an energy source and completely replace fossil fuels. Many of the reasearches conducted so far are incomparable, as statistical information are missing.

(6)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

V

KAZALO VSEBINE

Str.

KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III

KEY WORDS DOCUMENTATION IV

KAZALO SLIK IV

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI VII

1 UVOD 1

2 BIOFOTOVOLTAIKA 2

2.1 VRSTE BPV 2

2.2 MEHANIZEM PRENOSA ELEKTRONOV 2

3 FIZIOLOGIJA IN BIOKEMIJA ELEKTRONSKE PROIZVODNJE V FOTO

GORIVNE CELICE (PHFC) 3

3.1 MIKROALGE 3

3.1.1 Pretvorba fotonov in elektronov v mikroalgah 4

3.2 CIANOBAKTERIJE 6

3.2.1 Mehanizmi prenosa elektronov cianobakterij 6 4 ELEKTROKEMIJA IN BIOLOGIJA V SISTEMIH BPV 7

4.1 ELEKTROKEMIJSKA VZPOSTAVITEV SISTEMA BPV 8

4.1.1 Primerjava enokomornega in dvokomornega sistema 8 4.1.1.1 Trajnejše biofotovoltaike dveh vrst z omejenim pretokom elektronov 10

4.1.2 Elektrode 11

4.1.2.1 Sistemi z dvema elektrodama 12

4.1.2.2 Sistemi s tremi elektrodami 12

4.1.2.3 Materiali elektrode 14

4.2 DEJAVNIKI, KI VPLIVAJO NA GENERACIJO MOČI 15

5 ZAKLJUČEK 16

6 VIRI 16

(7)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

VI KAZALO SLIK

Str.

Slika 1: Načelo delovanja biofotofoltaike 2

Slika 2: Prenos elektronov na anodo 3

Slika 3: Reakcija fotofosforilacije v celici alg 4

Slika 4: Prenos elektronov med fotofosforilacijo v mikroalgah 5

Slika 5: Shema biofotovoltaike 7

Slika 6: Shematski prikaz enokomornega biofotovoltaičnega sistema 8

Slika 7: Postopki polnjenja in dobave v pretočnem BPV 10

Slika 8: Prikaz dvokomornega sistema BPV za izdelavo mikrobne kokulture 11 Slika 9: Shematski prikaz biofotovoltaičnih sistemov z dvema elektrodama in s tremi elektrodami

13

Slika 10: SEM slike od Cu-MOF in Cu-Ni MOF 15

(8)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

VII

OKRAJŠAVE IN SIMBOLI Ag- Srebro

AgCl- Sebrov klorid ATP- Adenozin tri-fosfat BES- Bioelektrokemijski sistem BPV- Biofotovoltaika

C+- Ogljikov kation

CBB- Calvin-Benson-Bassham cikel CNT- Ogljikova nanocevka

CO2- Ogljikov dioksid Cu- Baker

Cu2+ - Bakarov kation Cyt b6f- Citokrom

DET- Neposrednim prenosom elektronov Fd- Ferredoksin

FNR- Oksidoreduktaza FTO- Kositrov oksid

GSO- Gensko spremenjeni organizem H2O- Molekula vode

H2S- Vodikov sulfid ITO- Indijev kositrov oksid

MET- Posrednim prenosom elektronov MFC- Mikrobna gorivna celica

MnO2- Manganov dioksid

MOF- Kovinsko -organski okvirji

NADH- Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat

NADPC- Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat ogljik NADPH2- Nikotinamid adenin dinukleotid fosfat Ni- Nikel

Ni2+ - Nikelov kation O2- Kisik

P680- Reakcijski center P700- Reakcijski center

(9)

Kulebanova M.Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

VIII PC- Plastocianin

PEDOT: PSS- Bipolarni elektrodi

PEM- Protonska izmenjevalna membrana PETC- Fotosintezni elektronski prenos PHFC- Foto gorivne celice

PPn- Fotofosforilacije PSI- Fotosintezni sistem I PSII- Fotosintezni sistem II PQ- Plastokinon

PQH2- Plastokinol

QA- primarni akceptor kinin QB- sekundarni akceptor kinon

RETC- Dihalna transportna veriga elektronov SHE- Standardni vodikovi elektrodi

(10)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

1 1 UVOD

Z naraščanjem svetovne populacije ljudi se povečujejo tudi potrebe po energiji. Znatno povečanje svetovne porabe energije skupaj z rastjo števila prebivalstva vodi do prekomernih emisij ogljika v ozračje in pojava podnebnih sprememb (Thong in sod., 2019). To zahteva razvoj učinkovitih energetskih naprav, da bi zadovoljili ogromno povpraševanje po energiji in zahteve po zniževanju ogljikovih izpustov (Joseph in sod., 2019). Tudi če bi globalno sprejeli nove energetske standarde in jih upoštevali, Mednarodna agencija za energijo (International Energy Agency (IEA)) kljub rahlem padcu zaradi pandemije vseeno pričakuje dvig povpraševanja po energiji za najmanj 32 % do leta 2040. Predvideva se, da bi lahko bila dekarbonizacija gospodarstva bistvena za prizadevanje zajezitve globalnega segrevanja. Zaradi tega je nujna takojšnja nova svetovna energetska politika (Rowden in sod., 2018; Schleussner in sod., 2016). Še pomembneje je, da zmanjšamo uporabo fosilnih goriv v dobavni verigi energije in materialov (Rowden in sod.,2018; Mcglade in Ekins, 2015) in omejimo netrajnostno porabo virov. Da bi bili uspešni, je potrebna odgovornost vsakega posameznika. Zmanjšanje uporabe fosilnih goriv, pa je mogoče doseči le z razvojem novih tehnologij (Rowden in sod., 2018).

Primarni vir energije za življenje na planetu Zemlji je sončna energija. Sončna energija se s fotosintezo vstavi v biosfero. To je fizikalno-kemijski proces, pri katerem rastline, alge in nekatere bakterije pretvarjajo sončno energijo v kemično energijo preko organskih snovi (Chandra in sod., 2019). Sončna energija velja za neomejeno, vsaj na podlagi časovnih okvirov, pomembnih za človeštvo. Zelene rastline, mikro zelene alge in cianobakterije so razvile naravni sistem, ki pretvarja vodo v protone in elektrone in pri tem proizvaja kisik kot odpadni produkt (Rowden, 2018; Blankenship, 2010). Protoni in elektroni, ki so imenovani tudi "redukcijska moč", katalizirajo razpad zračnega CO2 v C+ in O2 (Rowden, 2018). Kasneje se C+ ogljikov atom veže v organske spojine z več atomi ogljika. Organske spojine so osnova za nastanek biomase in podpirajo heterotrofne živilske mreže. Če izračunamo fotosintezno učinkovitost takega procesa na podlagi svetlobne energije, ki udari v zunanjo atmosfero, je manj kot 1 %, teoretično pa je lahko največ 4,5 %, zajetih v smislu biomase (Rowden in sod., 2018; Barber, 2009). To pomeni, da bodo sistemi, ki uporabljajo biomaso kot surovino in ne kot katalizator, bistveno manj učinkoviti v smislu pretvorbe energije, kot so na primer fotonapetostne plošče.

Vendar je fotonska učinkovitost encimskega kompleksa, ki vsebuje reakcijo cepitve vode, veliko večja, s teoretično mejo 70 % in v praksi približno 55 %. Le-ta deluje na podlagi spektra rdeče svetlobe pri valovni dolžini 680 nm (Rowden, 2018; Barber, 2009; Barber in Tran, 2013).

Učinkovitost se bo zmanjšala na približno 20 %, če se upošteva celoten sončni spekter, kar je še vedno veliko več kot pri procesih na osnovi biomase. Fotosintezni sistemi so bolj donosni za proizvodnjo same energije in ne proizvodnje biomolekul, ki se lahko uporabijo za pridobivanje energije (npr. biodizel). Neposredna proizvodnja energije do točke cepitve vode, oziroma fotosistema II je najboljša metoda uporabe fotosintetskega aparata (Rowden in sod., 2018).

V zadnjih dveh desetletjih je tehnologija, ki uporablja celične bakterijske katalizatorje kot vire električne energije, zelo napredovala. Ta postopek se imenuje mikrobna elektrokemijska tehnologija. Sistem, ki ga omogoča, pa imenujemo bioelektrokemijski sistem (BES). Različne bioelektrokemijske sisteme, se da združevati in povezovati glede na zahteve projekta in uporabljenih organizmov. Na primer, proizvodnjo električne energije s strani fototrofnih organizmov med osvetljevanjem imenujemo biofotovoltaika (BPV) (Rowden in sod., 2018).

(11)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

2 2 BIOFOTOVOLTAIKA

Biofotovoltaika (BPV) je tehnologija za pridobivanje energije iz kisikovih fotoavtotrofnih organizmov. Ti organizmi, zbirajo svetlobno energijo, ki se nato pretvori v električno energijo.

Naprave BPV lahko opišemo kot biološki elektrokemični sistem ali "žive sončne celice". V sistemu BPV fotoliza vode generira elektrone, ki se nato prenesejo na anodo. Ustvari se relativno visoka potencialna reakcija na katodi in tok teče skozi zunanje vezje zaradi nastale razlike potencialov. Uporaba živega organizma kot medija za nabiranje svetlobe, ki se lahko sam sestavi in popravi, lahko naredi BPV stroškovno učinkovitejšo od drugih fotovoltaičnih tehnik, zlasti silicijevega fotovoltaičnega sistema (Yadav in Nair, 2021). Načelo delovanja biofotovoltaike je predstavljeno na sliki 1.

Slika 1: Načelo delovanja biofotofoltaike (prirejeno po Yadav in Nair, 2021).

2.1 V RSTE BPV

Biofotovoltaiko lahko razdelimo glede na vrsto prisotne komponente za pridobivanje svetlobe, ki je vključena v sistem na tri dele: izolirani fotosistemi, znotraj celični elementi in na celotne organizme. Delimo jih lahko tudi na različne mehanizme prenosa elektronov ali protonov na material anode iz različnih bioloških virov. Po različnih mehanizmih prenosa elektronov se delijo na značilno redukcijsko aktivnost elektronov in sintetične mediatorje elektronov (Yadav in Nair, 2021).

2.2 MEHANIZEM PRENOSA ELEKTRONOV

Elektroni se prenašajo iz biološkega katalizatorja na elektrodo za nastanek fototoka, kar se klasično doseže z dvema metodama: neposrednim prenosom elektronov (DET) in posrednim prenosom elektronov (MET). Obstajata še dve hipotezi za prenos elektrona na elektrodo, in to

(12)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

3

sta: metoda s posrednim prenosom elektronov iz zunanje celične membrane na anodo in kombinacija vseh treh procesov (Slika 2). Za uspešen prenos elektrona na anodo je pomembno okolje, v katerem se nahaja mikroorganizem (Joseph in sod., 2019).

Slika 2: Prenos elektronov na anodo (prirejeno po Okedi, 2021).

Pri DET se elektroni prenašajo na elektrodo brez vmesnih produktov fermentacije iz bakterijske membrane, pri posrednem prenosu elektronov (MET) pa se prenos elektronov arbitrira z uporabo mediatorjev. Pri MET je pomembno, da se sekundarni metaboliti uporabljajo kot posredniki zaradi njihove učinkovitosti za olajšanje neodvisnega prenosa elektronov. Pri metodi DET se elektroni prenašajo naravnost iz biokatalizatorja na površino elektrode. Ta metoda zahteva aktivno mesto, kjer se elektroni prenesejo bližje površini in ki je manj od 1 nm, da potencialno preidejo. Tako pri DET ni izgube napetosti. Za doseganje večjih biokatalitičnih tokov se dodajo kovinski vodniki za povečanje površine in selektivne smeri katalizatorjev.

Sintetične ali biološke mediatorje, kot so ubikinon, metilen modri, diaminoduren, nevtralno rdeče, itd. izvajajo DET ali pomagajo pri ustvarjanju fototoka. Mediator lahko oddaja, ter sprejema elektrone iz katalizatorja za prenos elektronov na površino elektrode. V primeru MET ne pride do izgube elektronov zaradi posrednika, ki ima redoks potencial, podoben uporabljenemu fotosistemu. Ker pa ni posebnega mehanizma za popravilo poškodovanih komponent, bi lahko dolgoročno prišlo do upada dejavnosti (Joseph in sod., 2019).

3 FIZIOLOGIJA IN BIOKEMIJA ELEKTRONSKE PROIZVODNJE V FOTO GORIVNIH CELICAH (PHFC)

3.1 MIKROALGE

Fotosinteza pri vseh evkariontskih organizmih vključuje proces pretvorbe anorganskih oblik ogljikovega dioksida v organske molekule v prisotnosti svetlobe. Fotoni iz svetlobe se uporabljajo za ekstrakcijo elektronov in protonov iz donorskih H2O, H2S, NADH itd. Ta proces pretvorbe je razvrščen v svetlobno in temno reakcijo glede na prisotnost ali odsotnost svetlobe (Joseph in sod., 2019).

(13)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

4

V mikroalgah in višjih rastlinah pride do svetlobne reakcije v tilakoidah, ki se skupaj sestavijo kot zložene strukture, imenovane granule. Melane tilakoida so sestavljene iz dvoslojnih plasti mono- in digalaktozil glicerola, ki v lumnu tvorijo maščobne vezikle v tilakoidnem prostoru.

Kloroplasti višjih rastlin imajo kopice zloženih tilakoid, medtem ko kloroplasti mikroalg v grobem vsebuje le dve ali tri zložene tilakoide (Joseph in sod., 2019).

Ključni del svetlobnih reakcij je proizvodnja NADPH2 in ATP kot redukcijskih in energetskih molekul za asimilacijo anorganskega ogljika. Kot prvi korak svetlobne reakcije pride do fotolize, ki podari par elektronov, vzbujenih iz H2O in prenesenih po nosilcih elektronov, da ustvari en sam NADPH2. Poleg tega se protoni prenašajo tudi v lumen iz strome kloroplasta, da ustvarijo gradient pH. Ta gradient pH pomaga katalizi ATPaze ali ATP sintaze, kar bo povzročilo sintezo molekul ATP (slika 3). Ta reakcija se sicer imenuje fotofosforilacija. Pri tem, iz vode v prisotnosti fotonov ustvarja liate, kar ima za posledico kaskado reakcij fosforilacije. Na podlagi te nenehne reakcije fotosinteze, ki služi kot edini vir energije za celice, so mikroalge veljale za trajnostne vire elektronov v celicah BPV. Kar zadeva bistvene sestavine fotosintetskega sistema, sta tako svetlobna kot temna reakcija zelo pomembni, saj pomagata posnemati delovanje teh komponent v reaktorju (Joseph in sod., 2019).

Slika 3: Reakcija fotofosforilacije v celici alg (Joseph in sod., 2019).

3.1.1 Pretvorba fotonov in elektronov v mikroalgah

Mehanizem pretvorbe fotonov in elektronov v mikroalgah je ključni mehanizem, zaradi katerega je potencialna surovina v sistemih za biogoriva. Kaskada fotokemičnih dogodkov, ki vključuje tako fotosintezni sistem I (PSI) kot fotosintezni sistem II (PSII) skupaj s številnimi encimi, prispeva k pretvorbi. Celoten dogodek se začne z reakcijo fosforilacije, ki se pojavi v prisotnosti svetlobe, zato se imenuje reakcija fotofosforilacije (PPn). PPn se pojavlja tako v necikličnem kot v cikličnem načinu v aktivni celici mikroalg. Neciklični PPn se pojavlja tako v PS I kot II, pretok elektronov pa se začne od PSII do PSI. Vendar pa ciklični PPn poteka samo v PSI. Začne se pa od reaktivnega centra PSI in konča na istem mestu z več nosilci elektronov.

V neciklični PPn reakciji reakcijski center P680 v PSII, ki deluje kot primarni darovalec elektronov, napolni v svoji elektronski luknji tirozin. Ob prisotnosti manganovih (Mn) ionov

1.1.1

(14)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

5

prevzame elektrone iz razpoložljivih molekul vode. Nato se fotokemična aktivnost PS II in P680 oksidira in ustvari ločitev naboja do 1,2 V v tilakoidni membrani v prisotnosti fotonov iz sončne svetlobe. Poleg tega, molekule vode sproščajo protone in molekularni kisik v lumnu z aktivnostjo močnega oksidanta s strani darovalca (Joseph, 2019).

Sledi oksidacija donorjev elektronov, primarni akceptor kinin QA in sekundarni akceptor kinon QB, ki sta molekuli plastokinona PQ, se podvržeta redukcijski reakciji s feofitinom,

molekulo nosilca elektronov. Posledično teče elektron skozi drug nosilec elektronov, PQ, ki ga dodatno oksidira kompleks citokroma, kar povzroči PQH2 (Slika 4) (Joseph, 2019).

Ko se PQH2 oksidira, se sprostita dva elektrona in dva protona. Eden od elektronov se prenese v PC, ki mu sledi citokrom, drugi pa v PS I. Protoni se sproščajo neposredno v lumen. Ta prenos elektronov v PS I iz citokroma b6f uravnava PC (bakreni protein), ki se nahaja v lumnu tilakoida. Poleg tega, oksidacijsko -redukcijska aktivnost PS I, ki jo poganja svetloba, prenaša elektrone v feredoksinske snovi, čemur sledi oksidacijski PC. V P700 se ponovno pojavi vzbujanje, elektron pa potuje po dolgi verigi nosilcev elektronov in seže do feredoksina ter na koncu konča s tvorbo NADPH2 (Slika 4). V ciklični reakciji PPn se elektroni vzbudijo iz P700, ki reducira ferredoksin in je terminalni akceptor v PS I prek kinona. Po tem, se elektroni iz ferredoksina transportirajo v citokrom b6f ali v PQ prek NADPH. Celoten tok elektronov skozi različne nosilce kot so Ferredoksin, PQ, citokrom in PC, se končno vrne v P700 kot zaprt sistem.

Ti koraki so povezani s proizvodnjo molekul ATP in translokacijo protonov (Joseph, 2019).

Slika 4: Prenos elektronov med fotofosforilacijo v mikroalgah (prirejeno po Joseph, 2019).

(15)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

6 3.2 CIANOBAKTERIJE

Cianobakterijske vrste, ki so bile doslej testirane pri BPV, vključujejo Synechocystis sp. PCC 6803, Synechococcus, Nostoc, Arthrospira platensis, Anabaena variabilis M-2, Oscillatoria limnetica, Leptolyngbia sp. in Lyngbya. Največja gostota moči, o kateri so poročali doslej, je bila približno 610 mW/ m2 z uporabo Synechococcus sp. BDU 140432. V raziskavi so primerjali delovanje različnih rodov cianobakterij divjega tipa in nedefiniranega fototrofnega konzorcija glede njihove elektrogene aktivnosti. Elektrokemijske metode, na primer ciklična voltametrija, kronoamperometrija in postopna polarizacija, se rutinsko uporabljajo v raziskavah BPV in lahko doprinesejo temeljite informacije o redoks reakcijah, ki se pojavljajo na elektrodah.

Vendar so informacije o toku ter napetosti vsota signalov številnih bioloških in elektrokemičnih procesov, zato niso dovolj specifične za opis presnovnega fenotipa (Tschörtner, 2019).

3.2.1 Mehanizmi prenosa elektronov cianobakterij

Fotoavtotrofne cianobakterije imajo sposobnost izvajanja oksidativne fotosinteze, procesa, ki pretvarja vodo in CO2 v biomaso, ki se aktivira s svetlobno energijo. Deli celic, ki vsebujejo proteinske komplekse in molekule elektronskih posrednikov, vključeni v fotosinteznem elektronskem prenosu (PETC), se imenujejo tilakoide, ki so zložen membranski sistem, ki se nahaja v citoplazmi. Prostor znotraj tilakoid se imenuje lumen tilakoid. Proteinski kompleksi, vključeni v PETC, so fotosistemi I in II (PSI in PSII), kompleks citokroma b6f (Cyt b6f) in ATP sintaza, ki jo poganja protonski gradient. Elektroni se prenašajo iz PSII preko kompleksa Cyt b6f in PSI v končni akceptor NADPC, ki mu pomaga več topnih elektronskih nosilnih molekul in ferredoksin NADP oksidoreduktaza (FNR). ATP sintaza ne sodeluje pri transportu elektronov. Sintezo ATP spodbuja protonski gradient, ki se kopiči na tilakoidni membrani, ter napaja PSII in kompleks Cyt b6f. ATP in NADPH, ki nastaneta v tako imenovanih svetlobnih reakcijah fotosinteze, se uporabljata v ciklu Calvin-Benson-Bassham (CBB), ki ni odvisen od svetlobe in se zato imenuje tudi temotne reakcije. Postopna pretvorba CO2 privede do več reduciranih stanj CO2 (Slika 5) (Tschörtner, 2019).

Ob vhodni svetlobi pride do ločitve naboja znotraj PSII in elektroni se prenesejo na plastokinone (PQ) QA in QB, pri čemer QB zapusti PSII in vstopi v bazen PQ. Hkrati se PSII ponovno reducira s sprejemom elektrona, ki ga sprosti kompleks reakcije kisika ob cepitvi vode (Slika 5). Elektroni se v naslednji fazi prenašajo iz baze PQ v kompleks Cyt b6f in preko topnih nosilcev elektronov plastocianina (PC) ali Cyt c6 v PSI. Tudi PSI se vzbudi, zaradi svetlobe, pa se elektron prenese skozi ferredoksin (Fd) v FNR. Ta encim katalizira prenos dveh elektronov in dveh protonov v NADPC in tvori NADPH C HC. V primeru zelo visokega razmerja NADPH do NADPC in pomanjkanja ATP se lahko elektroni prenesejo iz Fd v kompleks Cyt b6f. Proces je imenovan ciklični prenos elektronov okoli PSI ali ciklična fotofosforilacija. Ta ciklični tok elektronov prispeva k protonskemu gradientu skozi tilakoidno membrano in s tem k proizvodnji ATP. Ker se nove molekule vode ne razcepijo, se elektroni ponovno zberejo na elektrodi za namen proizvodnje energije (Tschörtner, 2019).

V cianobakterijah je poleg PETC prisotna tudi dihalna transportna veriga elektronov (RETC), ki vzdržuje transmembranski protonski gradient ob odsotnosti svetlobe z uporabo ogljikovodikov, zgrajenih v ciklu CBB (Slika 5). RETC se nahaja tako na tilakoidni kot na citoplazemski membrani. Celično dihanje lahko obravnavamo glede na elektronsko in redoks

(16)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

7

ravnovesje kot obratni proces fotosinteze. Tako PETC kot RETC imata skupino PQ in kompleks Cyt b6f ter topne nosilce elektronov PC ali Cyt c6 (Slika 5) (Tschörtner, 2019).

Slika 5: Shema biofotovoltaike. Poti prenosa elektronov iz komponent tilakoidne membrane (fotosistemi) na anodo(prirejeno po Tschörtner, 2019).

4 ELEKTROKEMIJA IN BIOLOGIJA V SISTEMIH BPV

V zadnjih desetletjih je bil v raziskavah BPV uporabljen raznolik nabor reaktorskih modelov.

To vključuje eno- in dvokomorne sisteme, različne konfiguracije dvojnih in trojnih elektrod, posredne sisteme, uporabo čistih ali mešanih kultur fototrofov, pa tudi sisteme, kjer so in vitro imobilizirane samo tilakoidne membrane ali izolirani fotosistemi (Tschörtner, 2019).

(17)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

8

4.1 ELEKTROKEMIJSKA VZPOSTAVITEV SISTEMA BPV 4.1.1 Primerjava enokomornega in dvokomornega sistema

Po zasnovi tradicionalnih MFC -jev so bili prvi BPV sistemi sestavljeni iz dveh komor, od katerih je vsaka vsebovala eno od elektrod. Elektrodi sta bili ločeni s protonsko prepustno membrano. Slabosti uporabe protonske izmenjevalne membrane (PEM) vključujejo večjo notranjo odpornost naprave na umazanijo, razgradnjo ali zamašitev membrane pri daljšem delovanju. Pri uporabi elektronskih mediatorjev je pomembno izolirati elektrodi med seboj, da zagotovimo, da molekule delujejo le proti delovni elektrodi. Dvokomorni sistemi imajo možnost delovanja naprave kot mikrobne celice za elektrolizo, kjer na katodi nastaja vodikov plin. V primeru fotolize vode, mikroorganizmi proizvajajo O2. Dve komori ločujeta oba plina, kar omogoča nadaljnjo uporabo vodika in zmanjšuje tveganje eksplozije (Saar in sod., 2018).

Posebna izvedba je naprava z zračno izpostavljeno katodo, prevlečeno s PEM na strani, ki je v stiku z elektrolitom. Takšni sistemi imajo samo eno komoro in redukcija kisika poteče zunaj komore (Tschörtner, 2019).

V zadnjem desetletju so postali priljubljeni enokomorni sistemi, ki temeljijo na biofilmih ali mikroorganizmih, imobiliziranih na anodi (Slika 6a). Tehnike imobilizacije vključujejo neposredno nanašanje odebeljene biomase na anodo in poznejše sušenje pred uporabo pa tudi fiksacijo z dializno membrano, ki se nanese preko biomase in anode (Tschörtner, 2019).

Slika 6: Shematski prikaz enokomornega biofotovoltaičnega sistema (a), krivulja moči, ki izhaja iz kronoamperometrije(b), (c) in cikličnih meritev voltametrije (d). Zlate črte označujejo vrednosti, opažene pri osvetlitvi, sive črte pa vrednosti, opažene v temi. Meritve ciklične voltametrije ustrezajo situaciji, ko osvetlitev spodbuja sproščanje redoks vrst (Wey in sod., 2019).

(18)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

9

Nekatere raziskave kažejo, da biomasa, trdno pritrjena na anodi, ne pride v stik s katodo, zaradi česar je ločevanje v dve komori nepotrebno. Zato v literaturi trenutno prevladujejo enostavnejše enokomorne naprave. Razen v raziskavah z biofilmi Geobacter ni trdnih eksperimentalnih dokazov, da DET poteka v takšnih sistemih. Celice sproščajo v medij spojine, ki delujejo kot posredniki. V študiji so predlagali, da Synechocystis sp. sprošča nekaj majhnih redoks molekul -aktivnih molekul, ki lahko doprinesejo k rezultatom DET (Rowden in sod., 2018).

Pri drugi vrsti nastavitve enokomornega sistema je bilo ločevanje anolita in katolita v mikrokanalnem BPV olajšano z uporabo laminarnih tokov različnih hitrosti, ki ustvarijo pregrado, ki nadzoruje difuzijo (Wey in sod., 2019).

Zanimivo je, da študija, čeprav ne vsebuje PEM, še vedno predstavlja dvokomorni sistem: ena komora deluje kot polnilna enota, kjer so osvetljeni mikroorganizmi in prenašajo elektrone na posredne molekule, ki se nato prenašajo v enoto za dobavo energije, kjer poteče interakcija z elektrodo (Slika 7). Na sliki se vidi, da sta oba procesa prostorsko ločena, kar zagotavlja časovno prilagodljivost pri pridobivanju energije in omogoča njihovo neodvisno optimizacijo (Slika 7a). V polnilni enoti fotosintetične celice s fotosistemi I in II (PSI, PSII) ustvarjajo visokoenergijske elektrone (e), nekateri elektroni pa se sproščajo v zunanje okolje z eksoelektrogeno aktivnostjo celic, da se zmanjša naboj nosilca (E → E) (Slika 7b). V enoto za oskrbo z energijo pridejo reducirani napolnjeni nosilci (E) v stik z anodo, od koder elektroni tečejo na katodo in ustvarjajo tok. Protoni (H+) difundirajo na katodo, kjer se voda katalitično regenerira, elektroni pa zaradi nadzorovanega transporta pridejo na katodo le skozi zunanji krog (Saar in sod., 2018).

(19)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

10

Slika 7: Postopki polnjenja in dobave v pretočnem BPV (prirejeno po Saar in sod., 2018).

4.1.1.1 Trajnejši sistemi biofotovoltaike dveh vrst z omejenim pretokom elektronov

Sintetična mikrobna kokultura dveh vrst je zasnovana in izdelana za proizvodnjo električne energije iz svetlobe na podlagi trajnejše bio-fotovoltaike z omejenim pretokom elektronov.

Kokulturo sestavljata gensko spremenjena (GSO) cianobakterija in Shewanella. Hitro rastočo cianobakterijo Synechococcus elongatus UTEX 2973 so izbrali kot modelni organizem ali polnilo. Shewanella oneidensis MR-1 pa so izbrali kot praznilo, ker ima učinkovito zmogljivost EET18 pretvorbe organskih spojin v električno energijo. V tem sistemu BPV je D-laktat zbran kot nosilec. D-laktat je najugodnejši vir ogljika in vir energije za S. oneidensis MR-119, saj ga lahko proizvedejo iz svetlobe in CO2 s pomočjo GSO cianobakterij. Konstruirana kokultura cianobakterije in Shewanella, z vsebovanim D-laktatom, lahko proizvaja iz svetlobe relativno veliko energije preko 40 dni. Študija kaže, da lahko preusmeritev elektronskega toka v fotosintetičnem eksoelektrogenem mikrobni kokulturi zaobide šibko eksoelektrogeno aktivnost cianobakterij in tako izboljša učinkovitost in dolgoživost BPV (Zhu in sod., 2019).

Na sliki 8 je shematski prikaz treh različni dvokomornih sistemov, uporabljenih za izdelavo mikrobne kokulture. Na sliki 8a je predstavljen sistem časovnega ločevanja. Postopek polnjenja oz. fotosintetična proizvodnja D-laktata in postopek praznjenja se izvajata zaporedno v svetlih in temnih pogojih (Slika 8b). Na sliki 8b je prikazan sistem prostorske ločitve. Cianobakterije in S. oneidensis gojijo v dveh ločenih komorah, ločenih z mikroporozno membrano, kar zagotavlja istočasno polnjenje in praznjenje ter omogoča zaščito S. oneidensis pred svetlobo (Slika 8c). Na sliki 8c je prikazan sistem prostorsko-časovne ločitve. Cianobakterijsko kulturo

(20)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

11

kontinuirno dopolnjujemo s svežim medijem MBG11. To omogoča neprekinjeno proizvodnjo D-laktata v cianobakterijski komori, ki se uporablja za proizvodnjo električne energije v anodni komori (Slika 8c). Tu so izpuščene vse katodne komore (Zhu in sod., 2019).

Slika 8: Prikaz dvokomornega sistema BPV za izdelavo mikrobne kokulture (prirejeno po Zhu in sod., 2019).

4.1.2 Elektrode

Proizvodnja energije v BPV običajno temelji na prenosu elektronov, ki nastanejo v fotosintetičnih mikroorganizmih, na anodo. Izbira ustrezne delovne elektrode bo imela velik vpliv na tokove ali izhodne moči v BPV. Upoštevati je treba ustrezno raven čistoče materiala, da se čim bolj zmanjšajo neželene stranske reakcije, na primer s spojinami elektrolita (rastni medij, pufer itd.). Če imamo sistem na osnovi biofilma, mora material elektrode podpirati

(21)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

12

pritrditev in zagotoviti veliko površino za rast mikroorganizmov. Zaradi sorazmerno zelo nizkih tokovnih izhodov so navadni ogljikovi anodni materiali, kakršni so bili uporabljeni v raziskavah BES, v sistemih BPV, ki se opirajo na cianobakterije kot katalizatorje celih celic, precej redki.

Zato so se usmerili v raziskave BPV na površinske spremembe in v prevleke osnovnega materiala electrode (Tschörtner in sod., 2019) .

4.1.2.1 Sistemi z dvema elektrodama

Fotoelektrokemijo fotosintetičnih mikroorganizmov lahko preučujemo z dvo ali tri elektrodnim sistemom. Konfiguracija z dvema elektrodama vključuje fotosintetične mikroorganizme, ki vzpostavijo električni stik z anodo, ki je prek zunanjega vezja povezana s katodo (slika 9a). Dve elektrodi sta lahko locirani skupaj v eni komori v elektrolitu ali pa ločeno v dveh komorah, ki sta ločeni s protonsko prepustno membrano, da izolirata katodo od fotosintetičnih mikroorganizmov. Takšna membrana se bolj verjetno uporablja, če so mikroorganizmi v planktonskem stanju. Konfiguracija z dvema elektrodama ima najpreprostejši sistem in zagotavlja neposredne informacije o skupni izhodni moči BPV. Zato je ta sistem najbolj primeren za uporabo pri preučevanju dejavnikov, ki vplivajo na celotno izhodno moč naprave, in pri terenskih aplikacijah. Na primer, dvoelektrodne BPV so bile uporabljene za prikaz delovanja fotosistemov I in II pri izhodni moči primerni za pogon majhne digitalne ure.

Znanstveniki so izdelali dvoelektrodno napravo z anodo iz recikliranih aluminijastih pločevink v posodi iz ponovno uporabljene plastične steklenice, ki je izkoristila eksoelektrogeno aktivnost alge Chlorella sorokiniana. Pri drugi raziskavi so uporabili dvoelektrodno napravo z mešano kulturo, sestavljeno predvsem iz Scenedesmus obliquus in Chlorella luteoviridis, kot biosenzor, ki je pokazal zmanjšano izhodno moč kot odziv na dodajanje formaldehida (Wey in sod., 2019).

4.1.2.2 Sistemi s tremi elektrodami

Sistemi s tremi elektrodami se običajno uporabljajo na področjih analitične kemije in elektrokemije beljakovinskih filmov za zagotavljanje kvantitativnih informacij o redoks procesih na površini elektrode. Čeprav so naprave BPV lahko sestavljene iz dveh elektrod, se pri BPV uporabljajo tudi tri-elektrodni sistemi za preučevanje temeljnih vprašanj v zvezi s fotosintetičnimi mikroorganizmi in vmesnikom za bioanodo. Sistem s tremi elektrodami omogoča natančno krmiljenje potenciala ene elektrode, imenovane delovna elektroda, glede na referenčno elektrodo s pomočjo potenciostata. Za preučevanje sistemov BPV je delovna elektroda običajno fotosintetična bioanoda. Kalomelne ali Ag/AgCl elektrode se običajno uporabljajo kot referenčne elektrode, ker imajo dobro označen elektrokemijski potencial glede na potencial standardne vodikove elektrode (SHE). Za odvajanje tokov, ki izhajajo iz delovne elektrode, se uporablja inertna nasprotna elektroda (Slika 9b). Za dvo in tri elektrodne sisteme BPV, ne glede na to, ali preučujemo skupno izhodno moč ali obnašanje anode oz. delujoče elektrode, je pomembno, da ti parametri niso omejeni s katodo oz. nasprotno elektrodo. Na primer, platinasto mrežo lahko uporabimo kot nasprotno elektrodo, saj ponuja veliko površino.

Čeprav je mogoče te poskuse izvesti z dvoelektrodnim sistemom, je glavna prednost uporabe treh elektrodnih sistemov za preučevanje temeljnih vprašanj, da je prisotnost referenčne elektrode daje več gotovosti o termodinamiki in ustrezni kinetiki redoks procesov, ki se pojavljajo na delovni elektrodi v času poskusa. Za kompleksnejše sisteme izvedene s pomočjo biofilmov, je pridobljene rezultate lažje interpretirati, saj je mogoče spremenljivke bolj sistematično spremljati (Wey in sod., 2019).

(22)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

13

Slika 9: Shematski prikaz biofotovoltaičnih sistemov z dvema elektrodama (a) in s tremi elektrodami (b) (Wey in sod., 2019).

(23)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

14 4.1.2.3 Materiali elektrode

Anorganski materiali, kot so nerjavno jeklo, baker, platina in kositrov oksid, so bili uporabljeni pri izdelavi elektrod za BPV že v sedemdesetih letih 20. stoletja. Materiali na osnovi ogljika pa so se v zadnjih letih pogosteje uporabljali, zaradi začetnih težav pri uvajanju nano in mikronskih struktur v anorganske materiale. Ogljik je nato postal najpogosteje uporabljen anodni material pri BPV zaradi svoje cene, električne prevodnosti, robustnosti, kemijske inertnosti in raznolikosti v obliki (vključno z nano in mikronskimi strukturami). Različne oblike elektrod na osnovi ogljika, ki se uporabljajo v BPV, vključujejo ogljikovo tkanino, ogljikove nanocevke, grafita in reduciranega grafen oksida. Elektrode na osnovi ogljika imajo tudi nekaj slabosti. So neprozorne, zato je prodor svetlobe v fotosintetski biofilm preko elektrode onemogočen. Ogljik je hidrofoben, zato je potrebna površinska obdelava za izboljšanje biološke združljivosti in omočljivosti. Poleg tega ima ogljik relativno nizko električno prevodnost. Na primer, prevodnost grafita je 3 × 104 Sm − 1 ,reducirani grafenov oksid pa 15 × 104 S m − 1, medtem ko je prevodnost bakra 58 × 106 S m-1 (Chandra in sod., 2019).

Po letu 2010 so se pogosto uporabljali kositrov oksid (FTO) in indijev kositrov oksid (ITO), nanešen na steklo in keramiko, pozneje pa so se pojavile elektrode na osnovi nanodelcev ITO, ki je najsodobnejši anodni materiali pri BPV. Elektrode na osnovi nanodelcev ITO imajo dobro optično prosojnost, nizko hrapavost površin, ki se meri v nanometrih, hidrofilno površino, dobro električno prevodnost (1 × 106 S m − 1) in možnost novih strategij izdelave za prilagajanje strukture materialov v različnih oblikah. Pri sistematičnih primerjavah fototokov, ki jih proizvajajo cianobakterijski biofilmi na različnih elektrodah, so elektrode ITO v električni moči biofotovoltičnih naprav prekašale tiste iz ogljikovih materialov. Vendar so elektrode na osnovi nanodelcev ITO dražje in indij je redkozemeljski element, zaradi česar je njegova široka uporaba nezaželena iz trajnostnih razlogov (Chandra in sod., 2019).

Liu in Choi (2020) sta dokazala, da je anoda iz trojnega nanokompozita PEDOT:

PSS/MnO2/CNT s cianobakterijami pokazala odlično zmogljivost v eksperimentalnem okolju s tremi elektrodami, se je dejansko integrirala v praktično biofotovoltično napravo s cianobakterijo in konfiguracijo dveh elektrod, anodo in katodo. PEDOT: PSS/MnO2/CNT na ogljikovi mrežici je delovala kot dvofunkcionalna anoda s cianobakterijskim biofilmom, ki kapacitivno shranjuje elektrone, ki nastanejo zaradi mikrobiološke fotosinteze in celičnega dihanja. Trojni nanokompozit PEDOT: PSS/MnO2/CNT na ogljikovi mrežici so pripravili kot superkapacitivno anodo. Vsaka komponenta v nanokompozitu je imela pomemben vpliv na elektrokemijske in shranjevalne lastnosti materiala. CNT -ji so izboljšali mehansko stabilnost in električno prevodnost kompozita, medtem ko je MnO2 dosegel visoko specifično kapacitivnost in PEDOT: PSScan deluje kot vezivna raztopina. Nanokompozit je pokazal zelo visoko specifično kapaciteto 261 F/g in stabilno reverzibilnost naboja - razelektritve za 14.000 ciklov. Pri cianobakterijskem biofilmu je anoda pri osvetlitvi pokazala visoko kapaciteto 294 mF · cm – 2.

Raziskava avtorjev Juhari in sod. (2020), raziskuje uporabnost bio-anode. Sev UKM2 Chlorella sp. so gojili v BPV pri različnih pogojih in svetlobnih valovnih dolžinah. Ko je faza aklimatizacije uspela in je nastal biofilm, so testirali proizvodnjo energije z algami UKM2 v avtotrofnem načinu v sintetičnih krepkih bazalnih medijih (BBM) pod belimi, modrimi in rdečimi lučmi. Izkazalo se je, da ima UKM2 največjo proizvodnjo energije pri gojenju v BBM

(24)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

15

in pod rdečo lučjo, pri čemer je gostota moči 1,19 W/m3, pridobljena pri gostoti toka 25,74 A/m3. Čeprav so dobljeni rezultati nižji od drugih študij, se ta razlika pripisuje uporabi alg kot bio-katode v drugih študijah v primerjavi z bio-anodo, uporabljeno v tej študiji.

V raziskavi na Univerzi v Cambridge-u, so dobili pozitivne rezultate za uporabo aerosolne tiskane mikropilarne elektrode. Izkazalo se je, da imajo te elektrode višji skupni fototok, večjo obvladljivost pri arhitekturi ter hitro in ponovljivo izdelavo (Chen in sod., 2021).

V raziskavi Thong in sod. (2021) so preizkusili monokovinski in bimetalni MOF, ki ga je možno pripraviti časovno in stroškovno učinkovito, v BPV kot anodni material.

Elektrokemijske karakterizacije, opravljene na Cu-MOF, potrjujejo njen pomen pri učinkovitosti pridobivanja zelene energije, kar je dodatno potrjeno z delno zamenjavo Cu2+ z vozlišči iz Ni2+ v obliki Cu-Ni MOF. Pri uporabi v sistemu s Chlorella sp. UMACC je razvil učinkovit sistem pretoka elektronov od mikroalg do anodnih materialov. Neprekinjen in neposreden prenos elektronov med mikrokatalizatorji in zbiralnikom toka se lahko še pospešuje prek homogenega biofilma, ki nastane na površini Cu-Ni MOF/ ITO. Vplivni morfološki in strukturni integriteti Cu-Ni MOF/ITO prevladujejo na primerno usmerjenih in izpostavljenih elektrokemičnih aktivnih mestih Cu/Ni-MOF še posebej v strogo nadzorovanih pogojih, ki prinašajo visoko zmogljivost BPV. Raziskava zaključuje, da formulirani bimetalni MOF s svojimi lastnostmi predstavlja bodočnost anodnih materialov v visoko zmogljivih BPV.

Slika 10: SEM slike od Cu-MOF (a) in Cu-Ni MOF (b,c) (Thong in sod., 2021).

4.2 DEJAVNIKI, KI VPLIVAJO NA GENERACIJO MOČI BPV

Poleg elektrode na sistema BPV vplivajo različni parametri, med katerimi biotične, abiotične, substrati, dovajanje CO2 in O2 v sistem, pH, temperatura in osvetlitev sistema.

V raziskavi Lai in sod. (2021) predstavljajo razvito in optimizirano novo platformo BPV v tehničnem merilu (~ 250 ml delovne prostornine) z opredeljenimi in nadzorovanimi obratovalnimi parametri. Ugotovljeni so bili dejavniki, ki motijo reproducirane in stabilne izhodne signale toka. Ugotovili so, da je klasični medij BG11, ki se uporablja za gojenje cianobakterij in tudi v številnih študijah BPV, povzročil hude motnje v bioelektrokemičnih poskusih. Optimiziran medij nBG11 zagotavlja nizek a stabilen tok v reaktorju BPV, ne glede na prisotnost svetlobe in/ali mediatorjev. Kot dokaz ustreznosti sistema je bil v 12 dneh z živo

(25)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

16

Synechocystis sp. prikazan zelo visok dolgoročni svetlobno odvisen tok. Največji doseženi tok je bil nad 20 µA ( Lai in sod., 2021).

5 ZAKLJUČEK

Raziskave biofotovoltaike so še v začetni fazi razvoja. To je glavni razlog, da trenutno še ne moremo uspešno uporabljati biofotovoltaike kot vir energije in celostno zamenjati fosilnega goriva. Veliko do sedaj izvedenih raziskav je neprimerljivih, saj manjkajo statistični podatki.

Doslej opisani tokovi so za razred manjši od tradicionalnih mikrobnih gorivnih celic. Potrebno bo znatno povečanje tokov, da bo prihodnja uporaba takšnih sistemov smiselna. Obstajajo pa spodbudne študije, ki postavljajo osnovo za raziskave BPV in ustvarjajo zelo pomembna temeljna vprašanja o prenosu elektronov, ki jih je mogoče preučiti v BPV.

Biofotovoltaika velja za cenejšo alternativo solarnim sistemom.

Temeljno razumevanje in ciljno optimiziranje mikrobov bi lahko pomagalo doseči večjo izhodno moč. Vpliv heterogenosti svetlobe in temperature bosta v naslednjih letih pomembni raziskovalni vprašanji. Možne rešitve v prihodnosti bi lahko vključevale pristope sintetične biologije za izboljšanje učinkovitosti prenosa elektronov, na primer uvedbo alternativnih poti prenosa elektronov. Vsekakor bodo potrebne raziskave na področju membran, elektrod, medijev in arhitekture.

Ciljna optimizacija parametrov pa bo zahtevala bolj standardizirano poročanje podatkov in temeljno razumevanje celične fiziologije v sistemih BPV z uporabo pristopov sistemske biologije.

Znanstveniki bodo v prihodnjih letih aktivno raziskovali osnove BPV in skušali priti do sistemov uporabnih za ekonomsko upravičeno proizvodnjo energije. Vsekakor bi praktična uporaba BPV prispevala k blaženju klimatskih sprememb, znižanju CO2 emisij in bolj trajnostni uporabi energije.

6 VIRI

Barber J. 2009. Photosynthetic energy conversion: natural and artificial. Chemical Society Reviews, 38, 1: 185-196

Barber J., Tran P. D. 2013. From natural to artificial photosynthesis. Journal of The Royal Society Interface, 10, 81: 20120984, doi: 0.1098/rsif.2012.0984: 16 str.

Blankenship R. E. 2010. Early evolution of photosynthesis. Plant Physiology, 154, 2: 434-438 Chandra R., Castillo-Zacarias C., Mancera-Andrade E. I., Mohan S. V., Parra-Saldívar R.

2019. Fundamentals of biophotovoltaics for conversion of solar energy to bioelectricity.V:

Biomass, biofuels and biochemicals, microbial electrochemical technology. 1st ed. Mohan V., Varjani S., Pandey A. (ur.). New Delhi, Elsevier: 503-523

Chen X., Wey L., Lawrence J., Howe C., Kar-Narayan S., Zhang J. 2020. Aerosol jet printed micropillar electrodes for biophotovoltaics. University of Cambridge, Cambridge Trust

(26)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

17

(LTW), The Biotechnology and Biological Sciences Research Council.

https://www.nanoge.org/proceedings/Biohybrid/5f93491d6329f4157f4f1067 (20.8.2021) Driver A., Bombelli P. 2011. Biophotovoltaics: Energy from algae. Catalyst, 4: 13-15

https://www.stem.org.uk/system/files/elibrary-resources/legacy_files_migrated/9579- catalyst_21_4_487.pdf (20.8.2021)

International Energy Agency (IEA). 2021. Analyst, Data.

https://www.iea.org/topics/energy-efficiency (20. avg. 2021)

Joseph A. M., Ramalingam S., Selvaraj P., Rani K., Ramaraju K., Sathaiah G., Ramaraju K., Gunaseelan S., Balasubramaniem A., Perumal V. 2019. Biophotovoltaics: Molecular Mechanisms and Applications. V: Bioelectrochemical Interface Engineering. Wiley Online Library: 117–136

Juhari A. N., Sharan M. S., Daud W. R. W., Jafary T., Bakar M. H. A. 2020. UKM2 Chlorella sp. strain electricity performance as bio-anode under different light wavelength in a

biophotovoltaic cell. Sains Malaysiana, 49, 12: 3229 – 3241

McGlade C., Ekins P. 2015. The geographical distribution of fossil fuels unused when limiting global warming to 2 C. Nature, 517, 7533: 187-190

Ng F. L., Phang S. M., Lan B. L., Kalavally V., Thong C. H., Chong K. T., Periasamy V., Chandrasekaran K., Gnana kumar G., Yunus K., Fisher A. C. 2020. Optimised spectral effects of programmable LED arrays (PLA)s on bioelectricity generation from algal- biophotovoltaic devices. Scientific Reports, 10, 1: 1-13

Ng F. L., Phang S. M., Iwamoto M., Manaka T., Thong C. H., Shimosawa K., Periasamy V., Gnana Kumar G., Yunus K., Fisher A. C., 2020. Algal Biophotovoltaic Devices: Surface Potential Studies. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 8, 28: 10511-10520 Okedi T. I. 2021. Biophotovoltaics: harnessing photosynthesis for electricity generation.

Electrochemical and Microengeenering Group, SEB Cambridge, https://www.youtube.com/watch?v=K_eK_cu38rQ (5.8.2021)

Rowden S. J. L., Bombelli P., Howe C. J. 2018. Biophotovoltaics: design and study of bioelectrochemical systems for biotechnological applications and metabolic investigation.

V: Photosynthesis. 1st ed. New York, Humana Press: 335–346

Saar K. L., Bombelli P., Lea-Smith D. J., Call T., Aro E. M., Müller T., Howe C. J., Knowles T. P. J. 2018. Enhancing power density of biophotovoltaics by decoupling storage and power delivery. Nature Energy, 3, 1: 75-81

Schleussner C. F., Rogelj J., Schaeffer M., Lissner T., Licker R., Fischer E. M., Hare W.

2016. Science and policy characteristics of the Paris agreement temperature goal. Nature Climate Change, 6, 9: 827-835

Teodor A. H., Bruce B. D. 2020. Putting photosystem I to work: truly green energy. Trends in Biotechnology, 38, 12: 1329-1342

Thong C. H., Priyanga N., Ng F. L., Pappathi M., Periasamy V., Phang S. M., Gnana Kumar G. 2021. Metal organic frameworks (MOFs) as potential anode materials for improving power generation from algal biophotovoltaic (BPV) platforms. Catalysis Today, in press, doi: 10.1016/j.cattod.2021.07.020: 9 str.

(27)

Kulebanova M. Biofotovoltaika kot zelene elektrarne prihodnosti.

Dipl. delo (UN). Ljubljana, Univ. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2021

18

Thong C. H., Phang S. M., Ng F. L. 2019. Effect of different irradiance levels on

bioelectricity generation from algal biophotovoltaic (BPV) devices. Energy Science and Engineering, 7, 5: 2086-2097

Tschörtner J., Lai B., Krömer J. O. 2019. Biophotovoltaics: green power generation from sunlight and water. Frontiers in Microbiology, 10: 866, doi: 10.3389/fmicb.2019.00866: 19 str.

Wey L. T., Bombelli P., Chen X., Lawrence J. M., Rabideau C. M., Rowden S. J. L., Zhang J.

Z., Howe C. J. 2019. The development of biophotovoltaic systems for power generation and biological analysis. ChemElectroChem, 6, 2: 5375, doi: 10.1002/celc.201900997: 12 str.

Yadav A., Nair R. S. 2021. Biophotovoltaics for energy generation. V: 2021 International Conference on Computational Intelligence and Knowledge Economy (ICCIKE), March 17–18, 2021, Amity University Dubai, UAE: 225-227

https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=9410716 (20.8.2021) Zhu H., Meng H., Zhang W., Gao H., Zhou J., Zhang Y., Li Y. 2019. Development of a

longevous two-species biophotovoltaics with constrained electron flow. Nature Communications, 10, 1: 1-12

Liu L., Choi S. 2020. PEDOT:PSS/MnO2/CNT ternary nanocomposite anodes for supercapacitive energy storage in cyanobacterial biophotovoltaics. Applied Energy Materials, 3, 10: 10224-10233

Reference

POVEZANI DOKUMENTI

ekotehnologije, geodezija, komunalno inženirstvo, okoljsko inženirstvo, univerzitetni študijski programi, varstvo okolja, vodarstvo V prispevku je obravnavan univerzitetni

nadaljevanje preglednice 4.. Transdiferenciacija mezenhimskih matičnih celic psa v živčne celice. v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2016.. regulirajo

Tudi v primeru kultivacij v bioreaktorju pa smo, tako za plazmidno DNA velikosti 10,7 kbp, kot tudi za 39,4 kb, potrdili korelacijo med padanjem koncentracije

Prvi homolog (60 % indentičnost s SACE_5599), ki so mu določili funkcijo, je kodiran z genom lmbU iz bakterije Streptomyces lincolnensis, ki proizvaja kemoterapevtsko

Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, 2008.. Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega

SA PETKOVIĆ, Hrvoje mentor KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101 ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Interdisciplinarni doktorski študij Bioznanosti,

Mojca KOROŠEC, Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Jamnikarjeva 101, 1000 Ljubljana, e-mail: mojca.korosec@bf.uni-lj.si izr. Jasna BERTONCELJ, Univerza v

Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje: PREDŠOLSKA VZGOJA (2017/2018) - REDNI ŠTUDIJ.. aprila 2018 (4 tedne,