The group of Fe(III) oxide-reducing bacteria includes exoelectrogenic bacteria, and they possess similar properties of transferring electrons to extracellular insoluble-electron acceptors. The exoelectrogenic bacteria can use the anode in microbial fuel cells (MFCs) as the terminal electron acceptor in anaerobic acetate oxidation. In the present study, the anodic community was compared with the community using Fe(III) oxide (ferrihydrite) as the electron acceptor coupled with acetate oxidation. To precisely analyze the structures, the community was established by enrichment cultures using the same inoculum used for the MFCs. High-throughput sequencing of the 16S rRNA gene revealed considerable differences between the structure of the anodic communities and that of the Fe(III) oxide-reducing community. Geobacter species were predominantly detected (>46%) in the anodic communities. In contrast, Pseudomonas (70%) and Desulfosporosinus (16%) were predominant in the Fe(III) oxide-reducing community. These results demonstrated that Geobacter species are the most specialized among Fe(III)-reducing bacteria for electron transfer to the anode in MFCs. In addition, the present study indicates the presence of a novel lineage of bacteria in the genus Pseudomonas that highly prefers ferrihydrite as the terminal electron acceptor in acetate oxidation.
As unrenewable energy resources have depleted over the years, the demand for renewable energy has increased promoting research for more effective methods to produce renewable energy. The field of fuel cell development, specifically microbial fuel cells (MFCs), has developed because of the dual performance potential of the technology. MFCs convert power by facilitating electrode-reducing organisms such as bacteria (microbes) as a catalyst to produce electrical energy. MFCs use domestic and industrial wastewater as fuel to initiate the process, purifying the wastewater as a result. Proton exchange membranes (PEM) play a crucial role in MFCs as a separator between the anodes and cathodes chambers allowing only protons to effectively pass through. Nafion is the commercially used PEM for MFCs, but there are many setbacks: such as cost, production time, and less effective proton conductivity properties. In this review there will be largely two parts. Firstly, several newly developed PEM are discussed as possible replacements of Nafion. Secondly, MFC based on PEM, blended PEM and composite PEM are summarized.
Optimal preparation guidelines of a cathode catalyst layer by non-precious metal catalysts were evaluated based on electrochemical performance in single-chamber microbial fuel cells (MFCs). Experiments for catalyst loading rate revealed that iron(II) phthalocyanine (FePc) can be a promising alternative, comparable to platinum (Pt) and cobalt tetramethoxyphenylporphyrin (CoTMPP), including effects of substrate concentration. Results showed that using an optimal FePc loading of $1mg/cm^2$ was equivalent to a Pt loading of $0.35mg/cm^2$ on the basis of maximum power density. Given higher loading rates or substrate concentrations, FePc proved to be a better alternative for Pt than CoTMPP. Under the optimal loading rate, it was further revealed that 40 wt% of FePc to carbon support allowed for the best power generation. These results suggest that proper control of the non-precious metal catalyst layer and substrate concentration are highly interrelated, and reveal how those combinations promote the economic power generation of single-chamber MFCs.
A microbial fuel cell (MFC) and bioelectrochemical systems are novel bioprocesses which employ exoelectrogenic biofilm on electrode as a biocatalyst for electricity generation and various useful chemical production. Previous reports show that electrogenic biofilms of MFCs are time varying systems and dynamically interactive with the electrically conductive media (carbon paper as terminal electron acceptor). It has been reported that maximum power point tracking (MPPT) method can automatically control load by algorithm so that increase power generation and columbic efficiency. In this study, we developed logic based control strategy for external load resistance by using $LabVIEW^{TM}$ which increases the power production with using flat-plate MFCs and MPPT circuit board. The flat-plate MFCs inoculated with anaerobic digester sludge were stabilized with fixed external resistance from $1000{\Omega}$ to $100{\Omega}$. Automatic load control with MPPT started load from $52{\Omega}$ during 120 hours of operation. MPPT control strategy increased approximately 2.7 times of power production and power density (1.95 mW and $13.02mW/m^3$) compared to the initial values before application of MPPT (0.72 mW and $4.79mW/m^3$).
Electricity generation of microbial fuel cells (MFC) is greatly affected by the kind of feed substrates because substrates would change microbial community of electrochemically active bacteria (EAB) able to transfer electrons to electrode. The effect of different substrates on electricity generation and microbial community of MFC was investigated. Two-chamber MFCs fed with acetate (A-MFC), butyrate (B-MFC), propionate (P-MFC), glucose (G-MFC) and a mixture (M-MFC) of the 4 substrates (acetate : butyrate : propionate : glucose = 1 : 1 : 1 : 1 as $COD_{Cr}$ base) were operated under continuous mode. The maximum power density was found from the M-MFC ($190W/m^3$) which showed the lowest internal resistance ($89{\Omega}$). The maximum power densities of the pure substrates feed MFCs were in order of A-MFC ($25W/m^3$), P-MFC ($21W/m^3$), B-MFC ($20W/m^3$) and G-MFC ($9W/m^3$). In DGGE analysis, the microbial community structure in suspension was quite different from each others depending on feed substrates, while the community structure in the biofilm was relatively similar regardless of the substrates. This result suggests that the feed substrates would affect the microbial community of suspended growth bacteria than attached growth bacteria resulting in difference of electricity generation in MFCs.
This study was performed to investigate the application of dark $H_2$ fermentation to two-stage bioprocesses for organic waste treatment and energy production. We reviewed information about the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, microbial fuel cells (MFCs), or microbial electrolysis cells (MECs) by using academic information databases and university libraries. Dark fermentative bacteria use organic waste as the sole source of electrons and energy, converting it into $H_2$. The reactions related to dark $H_2$ fermentation are rapid and do not require sunlight, making them useful for treating organic waste. However, the degradation is not complete and organic acids remain. Thus, dark $H_2$ fermentation should be combined with a post-treatment process, such as $CH_4$ fermentation, photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs. So far, dark $H_2$ fermentation followed by $CH_4$ fermentation is a promising two-stage bioprocess among them. However, if the problems of manufacturing expenses, operational cost, scale-up, and practical applications will be solved, the two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation with photo $H_2$ fermentation, MFCs, or MECs have also infinite potential in organic waste treatment and energy production. This paper demonstrated the feasibility of two-stage bioprocesses combining dark $H_2$ fermentation as a novel system for organic waste treatment and energy production.
This paper provides an overview of the role of membranes in bioelectrochemical systems (BESs). Bioelectrochemical systems harvest clean energy from waste organic sources by employing indigenous exoelectrogenic bacteria. This energy is extracted in the form of bioelectricity or valuable biofuels such as ethanol, methane, hydrogen, and hydrogen peroxide. Various types of membranes were applied in these systems, the most common membrane being the cation exchange membrane. In this paper, we discuss three major bioelectrochemical technology research areas namely microbial fuel cells (MFCs), microbial electrolysis cells (MECs) and microbial desalination cells (MDCs). The operation principles of these BESs, role of membranes in these systems and various factors that affect their performance and economics are discussed in detail. Among the three technologies, the MFCs may be functional with or without membranes as separators while the MECs and MDCs require membrane separators. The preliminary economic analysis shows that the capital and operational costs for BESs will significantly decrease in the future due mainly to differences in membrane costs. Currently, MECs appear to be cost-competitive and energy-yielding technology followed by MFCs. Future research endeavors should focus on maximizing the process benefits while simultaneously minimizing the membrane costs related to fouling, maintenance and replacement.
The present study was conducted to compare the voltage generation in two-chamber microbial fuel cells (MFCs) with a biocathode where nitrate and oxygen are used as a terminal electron acceptors (TEA) and to investigate the nitrogen removal and the electrochemical characteristics depending on the separators of the MFCs for denitrification. The maximum power density in a biocathode MFC using an anion exchange membrane (AEM) was approximately 40% lower with the use of nitrate as a TEA than when using oxygen. The MFC for denitrification using an AEM allows acetate ($CH_3COO^-$) as a substrate and nitrate ($NO_3{^-}$) as a TEA to be transported to the opposite sides of the chamber through the AEM. Therefore, heterotrophic denitrification and electrochemical denitrification occurred simultaneously at the anode and the cathode, resulting in a higher COD and nitrate removal rate and a lower maximum power density. The MFC for the denitrification using a cation exchange membrane (CEM) does not allow the transport of acetate and nitrate. Therefore, as oxidation of organics and electrochemical denitrification occurred at the anode and at the cathode, respectively, the MFC using a CEM showed a higher coulomb efficiency, a lower COD and nitrate removal rate in comparison with the MFC using an AEM.
Microbial fuel cells (MFCs) are a bioelectrochemical system where electrochemically active bacteria convert organic waste into electricity. Poly(vinyl alcohol) (PVA) and chitosan (CS) are polymers that have been studied as potential alternative ion exchange membranes to Nafion for many electrochemical systems. This study examined the optimal mixing ratio of PVA and chitosan CS in a PVA:CS composite membrane for MFC applications. PVA:CS composite membranes with 1:1, 2:1, and 3:1 ratios were synthesized and tested. The water uptake and ion exchange capacity, Fourier transform infrared spectra, and scanning electron microscopy images were analyzed to determine the physicochemical properties of PVA:CS membranes. The prepared membranes were applied to the ion exchange membrane of the MFC system, and their effects on the electrochemical performance were evaluated. These results showed that the composite membrane with a 3:1 (PVA:CS) ratio showed comparable performance to the commercialized Nafion membrane and produced more electricity than the other synthesized membranes. The PVA:CS membrane implemented MFCs produced a maximum power density of 0.026 mW cm-2 from organic waste with stable performance. Therefore, it can be applied to a cost-effective MFC system.
As anode fabrication with different materials has been proven to be a successful alternative for enhancing power generation in the microbial fuel cells, a new approach to improved performance of MFCs with the use of menadione/carbon powder composite-modified carbon cloth anode has been explored in this study. Menadione has formal potential to easily accept electrons from the outer membrane cytochromes of electroactive bacteria that can directly interact with the solid surface. Surface bound menadione was able to maintain an electrical wiring with the trans-membrane electron transfer pathways to facilitate extracellular electron transfer to the electrode. In a single chamber air cathode MFC inoculated with aerobic sludge, maximum power density of $1250{\pm}35mWm^{-2}$ was achieved, which was 25% higher than that of an unmodified anode. The observed high power density and improved coulomb efficiency of 61% were ascribed to the efficient electron shuttling via the immobilized menadione.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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