![\"ORCID](\"http:\/\/gwits.pl\/wp-content\/uploads\/2025\/03\/ORCID.png\")
<\/a> 1*<\/sup>, Jerzy Mikosz <\/a> 2<\/sup>, Gian Francesco Meloni <\/a> 3<\/sup><\/em><\/p>\n\n\n\nAfiliacje<\/summary>\n1<\/sup> Politechnika Krakowska im. Tadeusza Ko\u015bciuszki, Szko\u0142a Doktorska PK, Wydzia\u0142 In\u017cynierii \u015arodowiska i Energetyki
2<\/sup> Politechnika Krakowska, Wydzia\u0142 In\u017cynierii \u015arodowiska i Energetyki, Katedra Technologii \u015arodowiskowych
3<\/sup> University of Cagliari, Faculty of Engineering and Architecture, Department of Environmental Engineering
*Kontakt \/ Correspondence: monika.humaj@doktorant.pk.edu.pl<\/a><\/p>\n<\/details>\n\n\n\n
DOI: 10.65545\/GWITS.2026.01.05<\/strong>, GWiTS 1\/2026, stycze\u0144 2026<\/p>\n\n\n\nPobierz PDF<\/a> (Open Access)<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\nStreszczenie:<\/strong>
W artykule przedstawiono histori\u0119 rozwoju mikrobiologicznych ogniw paliwowych od ich powstania do czas\u00f3w wsp\u00f3\u0142czesnych. Wskazano na najwa\u017cniejsze ograniczenia w zastosowaniu, kt\u00f3re zwi\u0105zane by\u0142y z niskim nat\u0119\u017ceniem pr\u0105du i niestabilno\u015bci\u0105 uk\u0142ad\u00f3w. Om\u00f3wiono rozw\u00f3j technologii oparty na doborze mikroorganizm\u00f3w, wzbogacaniu substratu oraz optymalizacji materia\u0142owej anod, membran i katalizator\u00f3w. Opisano r\u00f3wnie\u017c wsp\u00f3\u0142czesne zastosowania MFC w roli biosensor\u00f3w oraz \u017ar\u00f3de\u0142 zasilania dla urz\u0105dze\u0144 rozproszonych. Podano tak\u017ce przyk\u0142ady wdro\u017ce\u0144 pilota\u017cowych MFC w oczyszczalniach \u015bciek\u00f3w i przedstawiono g\u0142\u00f3wne wyzwania, kt\u00f3re na obecnym etapie rozwoju stanowi\u0105 barier\u0119 dla powszechnego wykorzystania tego rozwi\u0105zania w skali przemys\u0142owej.<\/p>\n\n\n\nS\u0142owa kluczowe:<\/strong> ogniwa paliwowe, biosensory, wdro\u017cenia pilota\u017cowe MFC<\/p>\n\n\n\nAbstract:
<\/strong>The article presents the history of the development of microbial fuel cells from their inception to the present day. It highlights the most significant limitations in their application, which were related to low current density and system instability. It discusses the development of technology based on the selection of microorganisms, substrate enrichment and material optimisation of anodes, membranes and catalysts. It also describes contemporary applications of MFCs as biosensors and power sources for distributed devices. Examples of MFC pilot implementations in sewage treatment plants are given and the main challenges that currently constitute a barrier to the widespread use of this solution on an industrial scale are presented.<\/p>\n\n\n\nKeywords:<\/strong> fuel cells, biosensors, MFC pilot implementations<\/em><\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n1. Wprowadzenie<\/h3>\n\n\n\n
Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (rys. 1) jest urz\u0105dzeniem, w kt\u00f3rym energia elektryczna wytwarzana jest w procesie utleniania materii organicznej przez mikroorganizmy. Proces ten opiera si\u0119 na potencjale redoks pomi\u0119dzy donorem i akceptorem elektron\u00f3w, jednak, w przeciwie\u0144stwie do chemicznych ogniw paliwowych, zamiast bezpo\u015bredniej reakcji wodoru i tlenu, energi\u0119 dostarczaj\u0105 \u017cywe kom\u00f3rki bakteryjne [9].<\/p>\n\n\n\n![\"\"](\"https:\/\/gwits.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/01\/1065545GWITS20260105_F2.png\")
Rys. 1. Schemat dzia\u0142ania MFC, opracowanie w\u0142asne
Fig. 1. MFC operation diagram, own work<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n<\/p>\n\n\n\n
Cho\u0107 istnieje wiele r\u00f3\u017cnych konfiguracji, standardowy system MFC zbudowany jest z katody i anody, kt\u00f3re oddzielone s\u0105 od siebie za pomoc\u0105 membrany p\u00f3\u0142przepuszczalnej. W komorze anodowej, utrzymywanej w warunkach beztlenowych, znajduje si\u0119 anoda (wykonana zazwyczaj z materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych) oraz biofilm z\u0142o\u017cony z mikroorganizm\u00f3w. Bakterie metabolizuj\u0105 materi\u0119 organiczn\u0105, w wyniku czego dochodzi do rozerwania wi\u0105za\u0144 chemicznych i uwolnienia elektron\u00f3w oraz proton\u00f3w H+. Poprzez bezpo\u015bredni kontakt mi\u0119dzy bia\u0142kami b\u0142onowymi a materia\u0142em anody (zewn\u0105trzkom\u00f3rkowy transfer elektron\u00f3w, EET) dochodzi do przeniesienia elektron\u00f3w z wn\u0119trza kom\u00f3rki na powierzchni\u0119 anody. R\u00f3wnocze\u015bnie protony uwalniane s\u0105 do elektrolitu, a nast\u0119pnie przemieszczaj\u0105 si\u0119 do komory katodowej. Transport ten odbywa si\u0119 poprzez membran\u0119, kt\u00f3ra przepuszcza protony i jednocze\u015bnie blokuje transport elektron\u00f3w. Przep\u0142yw proton\u00f3w przez membran\u0119 nap\u0119dzany jest r\u00f3\u017cnic\u0105 st\u0119\u017ce\u0144 oraz r\u00f3\u017cnic\u0105 potencja\u0142\u00f3w elektrochemicznych mi\u0119dzy komorami. Jako, \u017ce elektrony powsta\u0142e na anodzie nie mog\u0105 bezpo\u015brednio przep\u0142yn\u0105\u0107 przez membran\u0119, skierowane zostaj\u0105 na obw\u00f3d zewn\u0119trzny. Tam dochodzi do utworzenia si\u0119 r\u00f3\u017cnicy potencja\u0142\u00f3w, co przek\u0142ada si\u0119 na powstanie napi\u0119cia elektrycznego. Nast\u0119pnie elektrony, kt\u00f3re przep\u0142yn\u0119\u0142y przez obw\u00f3d zewn\u0119trzny, docieraj\u0105 do katody, gdzie \u0142\u0105cz\u0105 si\u0119 z akceptorem elektron\u00f3w (w wi\u0119kszo\u015bci MFC jest to tlen). Wytwarzany jest w ten spos\u00f3b produkt uboczny procesu, czyli woda. Katoda jest zazwyczaj wykonana z materia\u0142u w\u0119glowego, pokrytego katalizatorem, kt\u00f3ry u\u0142atwia redukcj\u0119 tlenu [9].<\/p>\n\n\n\n
2. Pocz\u0105tki rozwoju koncepcji MFC<\/h3>\n\n\n\n
Za pocz\u0105tki mikrobiologicznych ogniw paliwowych uwa\u017ca si\u0119 odkrycie Pottera, kt\u00f3ry w 1911 r. udowodni\u0142 wyst\u0119powanie zjawiska wytwarzania energii elektrycznej wskutek rozk\u0142adu substrat\u00f3w organicznych przez mikroorganizmy [25]. W trakcie do\u015bwiadcze\u0144 przeprowadzonych na dro\u017cd\u017cach Saccharomyces cerevisiae podczas fermentacji cukr\u00f3w, wygenerowane zosta\u0142o napi\u0119cie elektryczne wynosz\u0105ce 0,3 \u2013 0,5 V. Potter podobne zjawisko zaobserwowa\u0142 tak\u017ce dla bakterii Escherichia coli. Skalowalno\u015b\u0107 tego rozwi\u0105zania zbada\u0142 w 1931 r. Cohen [12]. Przeprowadzone przez niego do\u015bwiadczenie opiera\u0142o si\u0119 na szeregowym po\u0142\u0105czeniu wielu miniaturowych p\u00f3\u0142ogniw o obj\u0119to\u015bci 10 ml z fermentuj\u0105cymi bakteriami. Cho\u0107 utworzony w ten spos\u00f3b uk\u0142ad wygenerowa\u0142 35 V napi\u0119cia, uzyskano bardzo ma\u0142e nat\u0119\u017cenie, rz\u0119du 2 mA. Cohen wykaza\u0142 tym samym, \u017ce zwi\u0119kszanie liczby ogniw pozwala podnie\u015b\u0107 napi\u0119cie, lecz istnieje problem minimalnego nat\u0119\u017cenia pr\u0105du, a tak\u017ce z\u0142o\u017cono\u015bci takiego uk\u0142adu.<\/p>\n\n\n\n
W latach 60. XX wieku rozwojem uk\u0142ad\u00f3w elektrochemicznych zacz\u0119\u0142a interesowa\u0107 si\u0119 ameryka\u0144ska agencja lot\u00f3w kosmicznych NASA. Przy planowaniu misji za\u0142ogowych rozwa\u017cano mo\u017cliwo\u015b\u0107 wykorzystania mikroorganizm\u00f3w do jednoczesnego utylizowania odpad\u00f3w organicznych oraz produkcji energii. W wyniku przeprowadzonych bada\u0144 wykazano, \u017ce mikrobiologiczne przetwarzanie moczu przez bakterie Bacillus pasteurii bezpo\u015brednio wp\u0142ywa\u0142o na zdolno\u015b\u0107 generowania pr\u0105du elektrycznego w ogniwie elektrochemicznym. Ostatecznie system nie zosta\u0142 jednak wykorzystany w misjach kosmicznych, ze wzgl\u0119du na nisk\u0105 g\u0119sto\u015b\u0107 uzyskiwanej mocy w stosunku do masy systemu oraz problemy ze stabilno\u015bci\u0105 uk\u0142adu [6]. Do prze\u0142omowych wniosk\u00f3w w swoich badaniach doszed\u0142 Williams, kt\u00f3ry wykaza\u0142, \u017ce \u017ar\u00f3d\u0142em energii elektrycznej mog\u0105 by\u0107 fermentuj\u0105ce odpady ro\u015blinne [29]. W swoim uk\u0142adzie w roli substratu wykorzysta\u0142 \u0142uski ry\u017cu, kt\u00f3re zosta\u0142y poddane fermentacji beztlenowej. W swoim do\u015bwiadczeniu Williams wygenerowa\u0142 40 mA pr\u0105du o napi\u0119ciu 6 V. Mimo stosunkowo wysokich pr\u0105d\u00f3w, rozwi\u0105zanie ogranicza\u0142a niestabilno\u015b\u0107 oraz niska sprawno\u015b\u0107 uk\u0142adu.
Na pocz\u0105tku lat 80. pojawi\u0142a si\u0119 koncepcja wykorzystania MFC z mediatorami, czyli ze zwi\u0105zkami redoks przenosz\u0105cymi elektrony z wn\u0119trza kom\u00f3rek mikroorganizm\u00f3w na powierzchni\u0119 anody (zast\u0119puj\u0105 one bezpo\u015bredni transfer elektron\u00f3w w przypadku bakterii pozbawionych efektywnego EET). Dodatkowo wykazano, \u017ce mediatory redukuj\u0105 si\u0119 szybciej ni\u017c kom\u00f3rka produkuje elektrony, co oznacza, i\u017c g\u0142\u00f3wnymi ograniczeniami MFC z mediatorem nie jest biologia kom\u00f3rki, a w\u0142a\u015bciwo\u015bci mediatora i elektrod [27].<\/p>\n\n\n\n
Niezale\u017cnie od bada\u0144 nad mediatorami, prowadzone by\u0142y analizy zastosowania MFC z innymi substratami. W 1984 r., w wyniku zasilenia MFC odpadami zawieraj\u0105cymi laktoz\u0119, wykazano, \u017ce uk\u0142ad mo\u017ce pracowa\u0107 w systemie ci\u0105g\u0142ym przez dwa tygodnie, przy uzupe\u0142nianiu substratu [27]. W kolejnych latach udowodniono mo\u017cliwo\u015b\u0107 przetwarzania sacharozy w uk\u0142adzie z Proteus vulgaris oraz mediatorem w postaci tioniny, a tak\u017ce przetestowano w roli substratu \u015bcieki i odpady w\u0119glowodanowe [3]. Pierwsz\u0105 praktyczn\u0105 demonstracj\u0119 wykorzystania MFC w rzeczywistej oczyszczalni \u015bciek\u00f3w przeprowadzili Habermann i Pommer. W zaprojektowanym przez nich systemie MFC wykorzystano mikroorganizmy SRB (Sulfate-Reducing Bacteria), kt\u00f3re generowa\u0142y naturalny mediator, siarkowod\u00f3r. Pozwoli\u0142o to na rezygnacj\u0119 z mediator\u00f3w syntetycznych, co ograniczy\u0142o koszty, a tak\u017ce zapewni\u0142o samowystarczalno\u015b\u0107 uk\u0142adu. Uk\u0142ad Habermanna i Pommera dzia\u0142a\u0142 w systemie pracy ci\u0105g\u0142ej przez pi\u0119\u0107 lat, co udowodni\u0142o, \u017ce MFC mo\u017ce by\u0107 wykorzystane jako d\u0142ugoterminowa technologia do oczyszczania \u015bciek\u00f3w komunalnych [13].<\/p>\n\n\n\n![\"\"](\"https:\/\/gwits.pl\/wp-content\/uploads\/2026\/01\/1065545GWITS20260105_F1_2.png\")
Rys. 2. Kierunki usprawniania MFC, opracowanie w\u0142asne
Fig. 2. Directions of MFC improvement, own study<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\nPod koniec lat 90. XX wieku wykazano, \u017ce bakterie redukuj\u0105ce metale tj. Shewanella putrefaciens, potrafi\u0105 zasili\u0107 MFC bez egzogennych mediator\u00f3w. Kim w trakcie swoich bada\u0144 wykaza\u0142 elektroaktywno\u015b\u0107 kom\u00f3rek Shewanella putrefaciens hodowanych beztlenowo oraz generacj\u0119 pr\u0105du z mleczanu przy braku barwnik\u00f3w redoks, co interpretowano jako bezpo\u015bredni kontaktowy transfer elektron\u00f3w (DET) przez zewn\u0119trzne cytochromy do anody Cho\u0107 Shewanella putrefaciens utlenia\u0142y mleczan nieca\u0142kowicie, co prowadzi\u0142o do wytwarzania nieznacznej ilo\u015bci energii, wskaza\u0142o to zdolno\u015b\u0107 niekt\u00f3rych mikroorganizm\u00f3w do bezpo\u015bredniego przenoszenia elektron\u00f3w do elektrod [18].<\/p>\n\n\n\n
3. Optymalizacja i doskonalenie uk\u0142ad\u00f3w MFC<\/h3>\n\n\n\n
Efektywno\u015b\u0107 MFC zale\u017cy od parametr\u00f3w i dopasowania poszczeg\u00f3lnych komponent\u00f3w systemu, tj. elektrod, membran, wykorzystanych mikroorganizm\u00f3w i substrat\u00f3w. Na przestrzeni lat optymalizowano poszczeg\u00f3lne elementy uk\u0142adu i tworzono r\u00f3\u017cne konfiguracje po to, by uzyska\u0107 jak najlepsze parametry pracy systemu (rys. 2). Cho\u0107 w pocz\u0105tkowych MFC u\u017cywano mikroorganizmy bez rozwini\u0119tego DET, na prze\u0142omie XX i XXI wieku zacz\u0119to poszukiwa\u0107 bakterii cechuj\u0105cych si\u0119 bezpo\u015brednim kontaktowym transferem elektron\u00f3w, co umo\u017cliwia\u0142o ca\u0142kowit\u0105 rezygnacj\u0119 z wykorzystania mediator\u00f3w syntetycznych. Przy wykorzystaniu Geobacter sulfurreducens w MFC wykazano, \u017ce mikroorganizm tworzy stabilny biofilm na anodzie i podtrzymuje pr\u0105d po pe\u0142nej wymianie po\u017cywki [4]. W\u015br\u00f3d najbardziej znanych egzoelektrogen\u00f3w wyr\u00f3\u017cnia si\u0119 r\u00f3wnie\u017c mikroorganizmy z rodziny Shewanella [18].<\/p>\n\n\n\n
W przypadku wykorzystania substratu z\u0142o\u017conego, materia organiczna musi w pierwszej kolejno\u015bci zosta\u0107 zhydrolizowana do cukr\u00f3w prostych, nast\u0119pnie sfermentowana do lotnych kwas\u00f3w t\u0142uszczowych, a w ostatnim etapie \u2013 utleniona przez egzoelektrogeny. Dla celulozy komponentem hydrolityczno-fermentacyjnym jest np. Clostridium cellulolyticum. Przy wytwarzaniu energii elektrycznej w MFC z wykorzystaniem otr\u0119b\u00f3w ry\u017cowych (60% poliacharyd\u00f3w), mo\u017cliwe jest zastosowanie konsorcjum mikroorganizm\u00f3w, w kt\u00f3rym Clostridium degraduje polimerow\u0105 celuloz\u0119 do glukozy, cz\u0119\u015b\u0107 glukozy jest fermentowana do kwas\u00f3w organicznych przez Clostridium i Bacteroides, a nast\u0119pnie kwasy te s\u0105 zu\u017cywane przez Geobacter do transferu elektron\u00f3w na anod\u0119 [32]. Substrat w postaci pulpy ziemniaczanej mo\u017ce by\u0107 rozk\u0142adany przez hydrolityczno-fermentacyjne bakterie z rodzaj\u00f3w Bacteroides, Flavobacterium (rozk\u0142ad skrobi) oraz Ruminococcus (rozk\u0142ad celulozy) [28].<\/p>\n\n\n\n
Proces adaptacji mikroorganizm\u00f3w zwi\u0119ksza efektywno\u015b\u0107 wytwarzania energii przez MFC wykorzystuj\u0105ce \u015bcieki bytowe. Wzbogacanie w Geobacter sulfurreducens, poprzez dodanie do \u015bciek\u00f3w octanu, zwi\u0119ksza wydajno\u015b\u0107 kulombowsk\u0105, ale nie ca\u0142kowit\u0105 produkcj\u0119 pr\u0105du, kt\u00f3ra nie mo\u017ce si\u0119 odbywa\u0107 w wyniku braku wystarczaj\u0105cej ilo\u015bci hydrolizator\u00f3w i fermentator\u00f3w [11].<\/p>\n\n\n\n
Jedn\u0105 z metod poprawy wydajno\u015bci MFC jest zwi\u0119kszenie powierzchni w\u0142a\u015bciwej anody, co umo\u017cliwia efektywniejsz\u0105 kolonizacj\u0119 bakterii egzoelektrogenicznych i, tym samym, zwi\u0119ksza transfer elektron\u00f3w. Konieczne jest przy tym uwzgl\u0119dnienie porowato\u015bci materia\u0142u, poniewa\u017c zbyt ma\u0142e pory tj. 2\u20137 \u03bcm, jak np. w piance w\u0119glowej, s\u0105 zatykane przez biofilm, co prowadzi do obumierania bakterii wewn\u0105trz oraz spadku generowanej mocy. Wykorzystanie anody szczotkowej, sk\u0142adaj\u0105cej si\u0119 z wielu cienkich w\u0142\u00f3kien w\u0119glowych, pozwoli\u0142o na zwi\u0119kszenie maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy z 1070 mW\/m2, osi\u0105ganej przez MFC z anod\u0105 z tkaniny w\u0119glowej, do 2400 mW\/m2, co wynika\u0142o m.in. ze wzrostu efektywnej powierzchni anody oraz redukcji oporu wewn\u0119trznego MFC [23].<\/p>\n\n\n\n
Dla zwi\u0119kszenia efektywno\u015bci materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych zaproponowano tak\u017ce nanorurki w\u0119glowe (CNT), kt\u00f3re pozwoli\u0142y na osi\u0105gni\u0119cie o 68% wy\u017cszej maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy od analogicznego MFC wykorzystuj\u0105cego anod\u0119 z tkaniny w\u0119glowej. Nanorurki w\u0119glowe s\u0105 jednak toksyczne dla mikroorganizm\u00f3w, poniewa\u017c uszkadzaj\u0105 struktury b\u0142on kom\u00f3rkowych, [17].<\/p>\n\n\n\n
Testuj\u0105c mo\u017cliwo\u015bci poprawy wydajno\u015bci MFC wykazano, \u017ce poddanie anody w\u0119glowej obr\u00f3bce amoniakiem w wysokiej temperaturze skutkuje wprowadzeniem grup zawieraj\u0105cych azot na powierzchni\u0119, co zwi\u0119ksza reaktywno\u015b\u0107 powierzchni [23].<\/p>\n\n\n\n
Dla poprawy efektywno\u015bci MFC korzystna jest modyfikacja grafenem, co wynika m.in. z wysokiej przewodno\u015bci i du\u017cej powierzchni w\u0142a\u015bciwej materia\u0142u. Dla grafenu pozyskiwanego w redukcji chemicznej powierzchnia w\u0142a\u015bciwa jest wi\u0119ksza od powierzchni filcu grafitowego ok. 500 razy [33].<\/p>\n\n\n\n
Zwi\u0119kszanie chropowato\u015bci powierzchni i poprawa przewodno\u015bci powierzchni elektrody mo\u017cliwe jest r\u00f3wnie\u017c poprzez modyfikacj\u0119 anody polimerami. Modyfikacja anody z filcu w\u0119glowego materia\u0142ami polimerowymi pozwoli\u0142a na zwi\u0119kszenie g\u0119sto\u015bci mocy wzgl\u0119dem MFC z anod\u0105 niemodyfikowan\u0105 o 35% dla polianiliny PANI oraz o 18% dla polimeru PAOA. Wynika to m.in. z szybszego zasiedlenia anod przez bakterie, poprawy r\u00f3\u017cnorodno\u015bci mikrobiologicznej na anodach modyfikowanych oraz redukcji oporu wewn\u0119trznego [20].<\/p>\n\n\n\n
Biomasa ro\u015blinna po odpowiedniej obr\u00f3bce termicznej zostaje przekszta\u0142cona w w\u0119giel porowaty, kt\u00f3ry mo\u017ce znale\u017a\u0107 zastosowanie jako efektywny i niskokosztowy materia\u0142 elektrodowy. Por\u00f3wnanie anody z biocharu aktywowanego KOH i nieaktywowanego wykaza\u0142o, \u017ce aktywacja materia\u0142u, w wyniku wytworzenia mezoporowej struktury na powierzchni elektrody, zwi\u0119ksza dwukrotnie osi\u0105gane przez MFC g\u0119sto\u015bci mocy, kt\u00f3re mog\u0105 przewy\u017csza\u0107 g\u0119sto\u015bci mocy osi\u0105gane przez materia\u0142y konwencjonalne tj. filc grafitowy [31]. Wykorzystanie anody z \u0142upin kasztan\u00f3w poddanych karbonizacji i aktywacji w MFC pozwoli\u0142o na uzyskanie 2,3-razy wi\u0119kszej g\u0119sto\u015bci mocy od analogicznego uk\u0142adu wykorzystuj\u0105cego tkanin\u0119 w\u0119glow\u0105 [10]. Anoda z w\u0119gla pochodz\u0105cego z odpad\u00f3w kawowych w uk\u0142adzie MFC doprowadzi\u0142a do osi\u0105gni\u0119cia maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy r\u00f3wnej 3800 mW\/m2 [14].<\/p>\n\n\n\n
Kluczowym elementem warunkuj\u0105cym efektywno\u015b\u0107 MFC jest katoda. Jako, \u017ce, zachodz\u0105ca na niej, reakcja redukcji tlenu ORR jest powolna i stanowi czynnik limituj\u0105cy osi\u0105gan\u0105 moc, wsp\u00f3\u0142cze\u015bnie wykorzystuje si\u0119 katalizatory przy\u015bpieszaj\u0105ce przebieg procesu. Standardowe katalizatory platynowe, cho\u0107 cechuj\u0105 si\u0119 wysok\u0105 aktywno\u015bci\u0105 w ORR, s\u0105 drogie i podatne na zatrucia siarkowodorem, co prowadzi\u0107 mo\u017ce do zaniku stabilno\u015bci MFC [5]. Wykazano, \u017ce dobrymi w\u0142a\u015bciwo\u015bciami katalitycznymi charakteryzuje si\u0119 tlenek manganu o strukturze krystalicznej OMS-2 (Octahedral Molecular Sieve-2). Domieszkowanie kobaltem lub miedzi\u0105 pozwoli\u0142o na zwi\u0119kszenie efektywno\u015bci katalizatora MnO2 i uzyskanie g\u0119sto\u015bci mocy wy\u017cszych ni\u017c w przypadku zastosowania tradycyjnych katalizator\u00f3w platynowych. Katalizator MnO2 z domieszkami wykazuje si\u0119 r\u00f3wnie\u017c dwukrotnie wy\u017cszym parametrem usuwania COD, jest znacznie ta\u0144szy od platyny i bardziej odporny na zatrucia [24].<\/p>\n\n\n\n
Dla redukcji koszt\u00f3w katalizator\u00f3w oraz zwi\u0119kszenia efektywno\u015bci ORR na katodzie wykorzysta\u0107 mo\u017cna r\u00f3wnie\u017c stopy platyny z innymi metalami. Katalizator Pt-Ni w MFC umo\u017cliwi\u0142 wytworzenie g\u0119sto\u015bci mocy 3,5-krotnie wy\u017cszej ni\u017c mia\u0142o to miejsce przy wykorzystaniu katalizatora platynowego, co by\u0142o wynikiem synergicznego dzia\u0142ania platyny i niklu w stopie prowadz\u0105cego do obni\u017cenia nadpotencja\u0142u redukcji tlenu [7].<\/p>\n\n\n\n
Od pocz\u0105tku rozwoju technologii MFC, najpopularniejszym materia\u0142em wykorzystywanym w roli membrany PEM jest Nafion\u00ae, czyli perfluorowany polimer kwasu sulfonowego, co wynika z wysokiej przewodno\u015bci protonowej oraz stabilno\u015bci chemicznej i termicznej materia\u0142u. W zwi\u0105zku z wykazaniem niekorzystnych cech Nafionu tj. wyciek tlenu na anod\u0119, preferencyjny transport wyst\u0119puj\u0105cych w du\u017cych st\u0119\u017ceniach kation\u00f3w i ich reakcja na katodzie, strata substratu i zanieczyszczenie biofilmem po d\u0142u\u017cszym czasie eksploatacji oraz wysokimi kosztami tego materia\u0142u zacz\u0119to testowa\u0107 mo\u017cliwo\u015b\u0107 wykorzystania w roli membrany innych materia\u0142\u00f3w [8].<\/p>\n\n\n\n
Jedn\u0105 z pierwszych alternatyw by\u0142y membrany sulfonowe powsta\u0142e na bazie polimer\u00f3w aromatycznych. Sulfonowany polieteroeteroketon SPEEK jest polimerem, kt\u00f3ry po wprowadzeniu grup sulfonowych \u2013SO3H, zyskuje zdolno\u015b\u0107 przewodzenia proton\u00f3w. Dla uzyskania odpowiednio wysokiego przewodnictwa konieczne jest zapewnienie wysokiego stopnia sulfonowania DS, kt\u00f3ry jednak mo\u017ce powodowa\u0107 p\u0119cznienie i rozpuszczanie polimeru, co obni\u017ca jego wytrzyma\u0142o\u015b\u0107 i stabilno\u015b\u0107 chemiczn\u0105 [21].<\/p>\n\n\n\n
Du\u017c\u0105 grup\u0119 stanowi\u0105 membrany porowate, kt\u00f3re, cho\u0107 fizycznie oddzielaj\u0105 komory anodow\u0105 i katodow\u0105, nie posiadaj\u0105 aktywnych grup jonowymiennych, w zwi\u0105zku z czym transport \u0142adunku odbywa si\u0119 poprzez swobodn\u0105 dyfuzj\u0119 wszystkich jon\u00f3w przez wype\u0142nione elektrolitem pory. Cechuj\u0105 si\u0119 nieselektywno\u015bci\u0105 jonow\u0105, w wyniku czego przenoszone mog\u0105 by\u0107 zar\u00f3wno kationy, jak i aniony, zgodnie z gradientem st\u0119\u017ce\u0144 [26]. Przyk\u0142ad membran porowych stanowi\u0105 niskokosztowe membrany tekstylne, tj. J-cloth. Materia\u0142 wykazuje si\u0119 dobr\u0105 przepuszczalno\u015bci\u0105 dla jon\u00f3w oraz \u0142atw\u0105 dost\u0119pno\u015bci\u0105, jednak jego sprawno\u015b\u0107 kulombowska jest niska w por\u00f3wnaniu do innych separator\u00f3w [34].<\/p>\n\n\n\n
Do membran porowatych zalicza si\u0119 r\u00f3wnie\u017c membrany ceramiczne. W wyniku spiekania gliny naturalnej tworzy si\u0119 porowata struktura umo\u017cliwiaj\u0105ca transport proton\u00f3w poprzez ich przeskakiwanie mi\u0119dzy ujemnie na\u0142adowanymi grupami tj. krzemiany i gliniany. Jedn\u0105 z g\u0142\u00f3wnych wad membran ceramicznych jest wyst\u0119powanie zjawiska odk\u0142adania si\u0119 biofilmu na katodzie, co wynika m.in. z wysokiej porowato\u015bci materia\u0142u i braku selektywno\u015bci jonowej w membranie [15].
Dla obni\u017cenia koszt\u00f3w i uproszczenia konstrukcji MFC mo\u017cliwe jest wykorzystanie uk\u0142adu pozbawionego membrany. Do zalet tego typu rozwi\u0105zania zalicza si\u0119 redukcj\u0119 ca\u0142kowitej rezystancji uk\u0142adu, co wynika z wyeliminowania oporu membrany i zapewnienia swobodnego przemieszczania si\u0119 proton\u00f3w i innych kation\u00f3w w ca\u0142ej obj\u0119to\u015bci ogniwa. Opracowane ogniwo jednokomorowe z katod\u0105 powietrzn\u0105, pozbawione membrany polimerowej i substratem w postaci glukozy umo\u017cliwi\u0142o uzyskanie g\u0119sto\u015b\u0107 mocy 494 mW\/m\u00b2, co stanowi\u0142o warto\u015b\u0107 niemal dwukrotnie wi\u0119ksz\u0105 od otrzymywanych g\u0119sto\u015bci mocy w tradycyjnych, dwukomorowych uk\u0142adach z membran\u0105 PEM [22]. Ze wzgl\u0119du na dyfuzj\u0119 tlenu na anodzie szacuje si\u0119, \u017ce MFC pozbawione membrany osi\u0105gaj\u0105 sprawno\u015b\u0107 kulombowsk\u0105 ni\u017csz\u0105 od uk\u0142ad\u00f3w konwencjonalnych o ok. 20% [19].<\/p>\n\n\n\n
4. Wyzwania stoj\u0105ce przed wdro\u017ceniem MFC<\/h3>\n\n\n\n
Jednym z obszar\u00f3w zastosowa\u0144 MFC s\u0105 biosensory, kt\u00f3re wykorzystuj\u0105 zale\u017cno\u015b\u0107 pomi\u0119dzy generowanym sygna\u0142em elektrycznym a biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen BOD, chemicznym zapotrzebowaniem na tlen COD lub st\u0119\u017ceniem substancji toksycznych. Konstruowane s\u0105 r\u00f3wnie\u017c czujniki zanurzalne, kt\u00f3re cechuj\u0105 si\u0119 mo\u017cliwo\u015bci\u0105 mierzenia BOD zbiornik\u00f3w wodnych, co eliminuje konieczno\u015b\u0107 pobierania pr\u00f3bek i przeprowadzania konwencjonalnych test\u00f3w laboratoryjnych. Czujniki oparte na MFC wykazuj\u0105 jednak ograniczone m.in. przez zmieniaj\u0105c\u0105 si\u0119 w czasie struktur\u0119 biofilmu na elektrodach oraz obecno\u015b\u0107 substancji toksycznych zaburzaj\u0105cych sygna\u0142 elektryczny [30].<\/p>\n\n\n\n
Innym kierunkiem rozwoju wsp\u00f3\u0142czesnych MFC jest wykorzystanie ich jako \u017ar\u00f3de\u0142 energii dla rozproszonych urz\u0105dze\u0144. Dzi\u0119ki zdolno\u015bci do wykorzystywania materii organicznej pochodz\u0105cej m.in. z osad\u00f3w dennnych, gleb lub \u015bciek\u00f3w, MFC mo\u017ce zapewni\u0107 d\u0142ugotrwa\u0142e zasilanie off-grid. Glebowe MFC z anod\u0105 pod powierzchni\u0105 ziemi oraz katod\u0105 ulokowan\u0105 na jej powierzchni mog\u0105 by\u0107 wykorzystywane do zasilania sieci czujnik\u00f3w bezprzewodowych. Ci\u0105g\u0142e zasilanie urz\u0105dze\u0144 wy\u0142\u0105cznie z MFC jest mo\u017cliwe jednak tylko dla sprz\u0119tu o bardzo niskim zapotrzebowaniu energetycznym [16].<\/p>\n\n\n\n
Ze wzgl\u0119du na mo\u017cliwo\u015b\u0107 jednoczesnego usuwania zanieczyszcze\u0144 organicznych i odzysk energii, jednym z najbardziej obiecuj\u0105cych obszar\u00f3w rozwoju MFC s\u0105 oczyszczalnie \u015bciek\u00f3w. W ostatnich latach przeprowadzono szereg pilota\u017cowych wdro\u017ce\u0144, kt\u00f3re mia\u0142y na celu oceni\u0107 wydajno\u015b\u0107 tej technologii w warunkach zbli\u017conych do rzeczywistych. Jednym z nich jest technologia BETT (z ang. Bioelectrochemical Treatment Technology). BETT opiera si\u0119 na modu\u0142owym systemie MFC w uk\u0142adzie przep\u0142ywowym, kt\u00f3rych g\u0142\u00f3wnym zadaniem jest oczyszczanie \u015bciek\u00f3w przemys\u0142owych oraz redukcja emisji CO2. Sk\u0142ada si\u0119 on z 28 po\u0142\u0105czonych szeregowo jednostek anodowych, kt\u00f3re wykonane zosta\u0142y z przewodz\u0105cego rdzenia pokrytego materia\u0142em z w\u0142\u00f3kna w\u0119glowego. Do uk\u0142adu szeregowo pod\u0142\u0105czone s\u0105 dwie powietrzne katody. Uk\u0142ad pilota\u017cowy, z\u0142o\u017cony z 12 uk\u0142ad\u00f3w BETT, zbiornik\u00f3w wyr\u00f3wnawczych, zasilaj\u0105cych i zbiorczych, przetestowano w USA na przep\u0142ywie \u015bciek\u00f3w browarniczych wynosz\u0105cym 0,6 m3\/d. Przy hydraulicznym czasie retencji HRT r\u00f3wnym 4h osi\u0105gni\u0119to efektywno\u015b\u0107 usuwania COD wynosz\u0105c\u0105 33% oraz ca\u0142kowitej zawiesiny TSS 79%. Zmierzona g\u0119sto\u015b\u0107 mocy uk\u0142adu BETT wynios\u0142a 114 mW\/m2 [2]. W podobny spos\u00f3b uk\u0142ad MFC wykorzystano do oczyszczania odpad\u00f3w trzody chlewnej w Kalifornii. Uk\u0142ad z\u0142o\u017cony z 12 jednokomorowych MFC po\u0142\u0105czonych szeregowo wykaza\u0142 efektywno\u015b\u0107 usuwania COD do 65% oraz odzysk energii netto wynosz\u0105cy 0,11 kWh\/kg COD [1].<\/p>\n\n\n\n
Mimo korzy\u015bci MFC, masowe wdro\u017cenie tej technologii w oczyszczalniach i zak\u0142adach przemys\u0142owych wymaga przezwyci\u0119\u017cenia licznych wyzwa\u0144. Jedn\u0105 z podstawowych trudno\u015bci jest skalowanie, kt\u00f3re prowadzi do wzrostu opor\u00f3w wewn\u0119trznych wynikaj\u0105cych m.in. z d\u0142u\u017cszej drogi jon\u00f3w w wi\u0119kszych komorach i gorszej dyfuzja substratu do g\u0142\u0119bszych warstw biofilmu, a tak\u017ce do problem\u00f3w z jednorodno\u015bci\u0105 warunk\u00f3w w reaktorze. Pilota\u017cowe MFC wykazuj\u0105 du\u017c\u0105 zmienno\u015b\u0107 wydajno\u015bci w zale\u017cno\u015bci od warunk\u00f3w \u015brodowiskowych tj. zmiany pH, temperatura i obci\u0105\u017cenie organiczne [9]. MFC jednak wci\u0105\u017c stanowi\u0105 technologi\u0119 rozwijaj\u0105c\u0105 si\u0119, a post\u0119p w obszarze materia\u0142oznawstwa i technologii mo\u017ce stopniowo eliminowa\u0107 bariery, czyni\u0105c MFC konkurencyjnym i zr\u00f3wnowa\u017conym rozwi\u0105zaniem w gospodarce odpadami i w zasilaniu urz\u0105dze\u0144.<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n5. Literatura<\/h3>\n\n\n\n
[1] Chakma, R., Hossain, M. K., Paramasivam, P., Bousbih, R., Amami, M., Toki, G. I., Haldar, R., & Karmaker, A. K. (2025). Recent applications, challenges, and future prospects of microbial fuel cells: A review. Global Challenges, 9(5). https:\/\/doi.org\/10.1002\/gch2.202500004<\/a><\/p>\n\n\n\n[2] Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 84(571), 260\u2013276.<\/p>\n\n\n\n
[3] Cohen, B. (1931). The bacterial culture as an electrical half-cell. Journal of Bacteriology, 21, 18\u201319.<\/p>\n\n\n\n
[4] Canfield, J. H., Goldner, B. H., & Lutwack, R. (1963). Research on applied bioelectrochemistry. Report no. 1. Utilization of human wastes as electrochemical fuels. Magna Corporation; National Aeronautics and Space Administration.<\/p>\n\n\n\n
[5] Williams, K. R. (1966). An introduction to fuel cells. Elsevier Publishing Company.<\/p>\n\n\n\n
[6] Roller, S. D., Bennetto, H. P., Delaney, G. M., Mason, J. R., Stirling, J. L., & Thurston, C. D. (1984). Electron-transfer coupling in microbial fuel cells, 1: Comparison of redox mediator reduction rates and respiratory rates of bacteria. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 34(1), 3\u201312.<\/p>\n\n\n\n
[7] Bennetto, H. P., Delaney, G. M., Mason, J. R., Roller, S. D., Stirling, J. L., Thurston, C. F., & White, D. R., Jr. (1986). An electrochemical bioreactor for treatment of carbohydrate wastes and effluents. Alternative Energy Sources, 4, 143\u2013157.<\/p>\n\n\n\n
[8] Habermann, W., & Pommer, E. H. (1991). Biological fuel cells with sulphide storage capacity. Applied Microbiology and Biotechnology, 35(1), 128\u2013133.<\/p>\n\n\n\n
[9] Kim, B. H., Kim, H. J., Hyun, M. S., & Park, D. H. (1999). Direct electrode reaction of Fe(III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Journal of Microbiology and Biotechnology, 9(2), 127\u2013131.<\/p>\n\n\n\n
[10] Bond, D. R., & Lovley, D. R. (2002). Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Applied and Environmental Microbiology, 69(3), 1548\u20131555.<\/p>\n\n\n\n
[11] Yoshimura, Y., Nakashima, K., Kato, M., Inoue, K., Okazaki, F., Soyama, H., & Kawasaki, S. (2018). Electricity generation from rice bran by a microbial fuel cell and the influence of hydrodynamic cavitation pretreatment. ACS Omega, 3(11), 15267\u201315271. https:\/\/doi.org\/10.1021\/acsomega.8b02171<\/a><\/p>\n\n\n\n[12] Tian, Y., Mei, X., Liang, Q., Wu, D., Ren, N., & Xing, D. (2017). Biological degradation of potato pulp waste and microbial community structure in microbial fuel cells. RSC Advances, 7, 8376\u20138380. https:\/\/doi.org\/10.1039\/C6RA28599A<\/a><\/p>\n\n\n\n[13] Christgen, B., Spurr, M., Milner, E. M., Izadi, P., McCann, C., Yu, E., Curtis, T., Scott, K., & Head, I. M. (2023). Does pre-enrichment of anodes with acetate to select for Geobacter spp. enhance performance of microbial fuel cells when switched to more complex substrates? Frontiers in Microbiology, 14, 1199286. https:\/\/doi.org\/10.3389\/fmicb.2023.1199286<\/a><\/p>\n\n\n\n[14] Logan, B. E., Cheng, S., Watson, V., & Estadt, G. (2007). Graphite fiber brush anodes for increased power production in air-cathode microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 41(9), 3341\u20133346.<\/p>\n\n\n\n
[15] Karwowska, E., Mia\u015bkiewicz-P\u0119cka, E., & Za\u0142\u0119ska-Radziwi\u0142\u0142, M. (2015). Wp\u0142yw nanoprodukt\u00f3w na wybrane organizmy \u2013 ocena ekotoksykologiczna. In\u017cynieria i Ochrona \u015arodowiska, 18(1), 109\u2013118.<\/p>\n\n\n\n
[16] Li, C., Zhang, L., Ding, L., Ren, H., & Cui, H. (2011). Effect of conductive polymers coated anode on the performance of a microbial fuel cell (MFCs) and its biodiversity analysis. Biosensors and Bioelectronics, 26(10), 4169\u20134176.<\/p>\n\n\n\n
[17] Yin, H., Zhang, M., Xu, X., & Chen, X. (2025). Modulation of biomass-based anode specific surface area and electrical conductivity on the enhancement of microbial fuel cell power generation capacity. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. https:\/\/doi.org\/10.1002\/jctb.70097<\/a><\/p>\n\n\n\n[18] Chen, Q., Pu, W., Hou, H., Hu, J., Liu, B., Li, J., Cheng, K., Huang, L., Yuan, X., Yang, C., & Yang, J. (2018). Activated microporous\u2013mesoporous carbon derived from chestnut shell as a sustainable anode material for high performance microbial fuel cells. Bioresource Technology, 249, 567\u2013573.<\/p>\n\n\n\n
[19] Hung, Y.-H., Liu, T.-Y., & Chen, H.-Y. (2019). Renewable coffee waste-derived porous carbons as anode materials for high-performance sustainable microbial fuel cells. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(20), 16991\u201316999.<\/p>\n\n\n\n
[20] Brouzgou, A., Song, S. Q., & Tsiakaras, P. (2012). Low and non-platinum electrocatalysts for PEMFCs: Current status, challenges and prospects. Applied Catalysis B: Environmental, 127, 371\u2013388.<\/p>\n\n\n\n
[21] Lu, M., Kharkwal, S., Ng, H. Y., & Li, S. F. Y. (2010). Carbon nanotube supported MnO\u2082 catalysts for oxygen reduction reaction and their applications in microbial fuel cells. Biosensors and Bioelectronics, 26(12), 4728\u20134732.<\/p>\n\n\n\n
[22] Cetinkaya, A. Y., Ozdemir, O. K., Koroglu, E. O., Hasimoglu, A., & Ozkaya, B. (2015). The development of catalytic performance by coating Pt\u2013Ni on CMI7000 membrane as a cathode of a microbial fuel cell. Bioresource Technology, 195, 188\u2013193.<\/p>\n\n\n\n
[23] Chae, K.-J., Choi, M.-J., Lee, J., Kim, I. S., & Kim, K. Y. (2007). Effect of proton exchange membranes on performance of microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 171(2), 348\u2013354.<\/p>\n\n\n\n
[24] Li, L., Zhang, J., & Wang, Y. (2003). Sulfonated poly(ether ether ketone) membranes for direct methanol fuel cells. Journal of Membrane Science, 226(1\u20132), 159\u2013167.<\/p>\n\n\n\n
[25] Ram\u00edrez-Nava, J., Mart\u00ednez-Castrej\u00f3n, M., Garc\u00eda-Mesino, R. L., L\u00f3pez-D\u00edaz, J. A., Talavera-Mendoza, O., Sarmiento-Villagrana, A., Rojano, F., & Hern\u00e1ndez-Flores, G. (2021). The implications of membranes used as separators in microbial fuel cells. Membranes, 11(10), 738. https:\/\/doi.org\/10.3390\/membranes11100738<\/a><\/p>\n\n\n\n[26] Zhang, X., Cheng, S., Wang, X., Huang, X., & Logan, B. E. (2009). Separator characteristics for increasing performance of microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 43(21), 8456\u20138461.<\/p>\n\n\n\n
[27] Liu, H., & Logan, B. E. (2004). Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane. Environmental Science & Technology, 38(14), 4040\u20134046.<\/p>\n\n\n\n
[28] Leong, J. X., Wan Daud, W. R., Ghasemi, M., Liew, K. B., & Ismail, M. (2013). Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28, 575\u2013587.<\/p>\n\n\n\n
[29] Yao, H., Xiao, J., & Tang, X. (2023). Microbial fuel cell-based organic matter sensors: Principles, structures and applications. Bioengineering, 10(8), 886. https:\/\/doi.org\/10.3390\/bioengineering10080886<\/a><\/p>\n\n\n\n[30] Jalili, P., Ala, A., Nazari, P., Jalili, B., & Domiri Ganji, D. (2024). A comprehensive review of microbial fuel cells considering materials, methods, structures, and microorganisms. Heliyon, 10(3), e25439. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.heliyon.2024.e25439<\/a><\/p>\n\n\n\n[31] Babanova, S., Jones, J., Wiseman, K., Soles, J., Gracia, J., Huerta, P., Barocio, D., Naito, R., Arreola, O., Gracia, G., & Bretschger, O. (2022). Bioelectrochemical treatment technology\u2014The new practical approach for wastewater management and GHG emissions reduction. Frontiers in Chemical Engineering, 4, 832505. https:\/\/doi.org\/10.3389\/fceng.2022.832505<\/a><\/p>\n\n\n\n[32] Babanova, S., Jones, J., Phadke, S., Lu, M., Angulo, C., Gracia, J., Carpenter, K., Cortese, R., Chen, S., Phan, T., & Bretschger, O. (2020). Continuous flow, large-scale, microbial fuel cell system for the sustained treatment of swine waste. Water Environment Research, 92(1), 60\u201367. https:\/\/doi.org\/10.1002\/wer.1183<\/a><\/p>\n\n\n\n[33] Jadhav, D. A., Park, S.-G., Eisa, T., Mungray, A. K., Madenli, E. C., Olabi, A.-G., Abdelkareem, M. A., & Chae, K.-J. (2022). Current outlook towards feasibility and sustainability of ceramic membranes for practical scalable applications of microbial fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 167, 112708<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
2<\/sup> Politechnika Krakowska, Wydzia\u0142 In\u017cynierii \u015arodowiska i Energetyki, Katedra Technologii \u015arodowiskowych
3<\/sup> University of Cagliari, Faculty of Engineering and Architecture, Department of Environmental Engineering
*Kontakt \/ Correspondence: monika.humaj@doktorant.pk.edu.pl<\/a><\/p>\n<\/details>\n\n\n\n
Pobierz PDF<\/a> (Open Access)<\/p>\n\n\n\n Streszczenie:<\/strong> S\u0142owa kluczowe:<\/strong> ogniwa paliwowe, biosensory, wdro\u017cenia pilota\u017cowe MFC<\/p>\n\n\n\n Abstract: Keywords:<\/strong> fuel cells, biosensors, MFC pilot implementations<\/em><\/p>\n\n\n\n Mikrobiologiczne ogniwo paliwowe (rys. 1) jest urz\u0105dzeniem, w kt\u00f3rym energia elektryczna wytwarzana jest w procesie utleniania materii organicznej przez mikroorganizmy. Proces ten opiera si\u0119 na potencjale redoks pomi\u0119dzy donorem i akceptorem elektron\u00f3w, jednak, w przeciwie\u0144stwie do chemicznych ogniw paliwowych, zamiast bezpo\u015bredniej reakcji wodoru i tlenu, energi\u0119 dostarczaj\u0105 \u017cywe kom\u00f3rki bakteryjne [9].<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n\n\n\n Cho\u0107 istnieje wiele r\u00f3\u017cnych konfiguracji, standardowy system MFC zbudowany jest z katody i anody, kt\u00f3re oddzielone s\u0105 od siebie za pomoc\u0105 membrany p\u00f3\u0142przepuszczalnej. W komorze anodowej, utrzymywanej w warunkach beztlenowych, znajduje si\u0119 anoda (wykonana zazwyczaj z materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych) oraz biofilm z\u0142o\u017cony z mikroorganizm\u00f3w. Bakterie metabolizuj\u0105 materi\u0119 organiczn\u0105, w wyniku czego dochodzi do rozerwania wi\u0105za\u0144 chemicznych i uwolnienia elektron\u00f3w oraz proton\u00f3w H+. Poprzez bezpo\u015bredni kontakt mi\u0119dzy bia\u0142kami b\u0142onowymi a materia\u0142em anody (zewn\u0105trzkom\u00f3rkowy transfer elektron\u00f3w, EET) dochodzi do przeniesienia elektron\u00f3w z wn\u0119trza kom\u00f3rki na powierzchni\u0119 anody. R\u00f3wnocze\u015bnie protony uwalniane s\u0105 do elektrolitu, a nast\u0119pnie przemieszczaj\u0105 si\u0119 do komory katodowej. Transport ten odbywa si\u0119 poprzez membran\u0119, kt\u00f3ra przepuszcza protony i jednocze\u015bnie blokuje transport elektron\u00f3w. Przep\u0142yw proton\u00f3w przez membran\u0119 nap\u0119dzany jest r\u00f3\u017cnic\u0105 st\u0119\u017ce\u0144 oraz r\u00f3\u017cnic\u0105 potencja\u0142\u00f3w elektrochemicznych mi\u0119dzy komorami. Jako, \u017ce elektrony powsta\u0142e na anodzie nie mog\u0105 bezpo\u015brednio przep\u0142yn\u0105\u0107 przez membran\u0119, skierowane zostaj\u0105 na obw\u00f3d zewn\u0119trzny. Tam dochodzi do utworzenia si\u0119 r\u00f3\u017cnicy potencja\u0142\u00f3w, co przek\u0142ada si\u0119 na powstanie napi\u0119cia elektrycznego. Nast\u0119pnie elektrony, kt\u00f3re przep\u0142yn\u0119\u0142y przez obw\u00f3d zewn\u0119trzny, docieraj\u0105 do katody, gdzie \u0142\u0105cz\u0105 si\u0119 z akceptorem elektron\u00f3w (w wi\u0119kszo\u015bci MFC jest to tlen). Wytwarzany jest w ten spos\u00f3b produkt uboczny procesu, czyli woda. Katoda jest zazwyczaj wykonana z materia\u0142u w\u0119glowego, pokrytego katalizatorem, kt\u00f3ry u\u0142atwia redukcj\u0119 tlenu [9].<\/p>\n\n\n\n Za pocz\u0105tki mikrobiologicznych ogniw paliwowych uwa\u017ca si\u0119 odkrycie Pottera, kt\u00f3ry w 1911 r. udowodni\u0142 wyst\u0119powanie zjawiska wytwarzania energii elektrycznej wskutek rozk\u0142adu substrat\u00f3w organicznych przez mikroorganizmy [25]. W trakcie do\u015bwiadcze\u0144 przeprowadzonych na dro\u017cd\u017cach Saccharomyces cerevisiae podczas fermentacji cukr\u00f3w, wygenerowane zosta\u0142o napi\u0119cie elektryczne wynosz\u0105ce 0,3 \u2013 0,5 V. Potter podobne zjawisko zaobserwowa\u0142 tak\u017ce dla bakterii Escherichia coli. Skalowalno\u015b\u0107 tego rozwi\u0105zania zbada\u0142 w 1931 r. Cohen [12]. Przeprowadzone przez niego do\u015bwiadczenie opiera\u0142o si\u0119 na szeregowym po\u0142\u0105czeniu wielu miniaturowych p\u00f3\u0142ogniw o obj\u0119to\u015bci 10 ml z fermentuj\u0105cymi bakteriami. Cho\u0107 utworzony w ten spos\u00f3b uk\u0142ad wygenerowa\u0142 35 V napi\u0119cia, uzyskano bardzo ma\u0142e nat\u0119\u017cenie, rz\u0119du 2 mA. Cohen wykaza\u0142 tym samym, \u017ce zwi\u0119kszanie liczby ogniw pozwala podnie\u015b\u0107 napi\u0119cie, lecz istnieje problem minimalnego nat\u0119\u017cenia pr\u0105du, a tak\u017ce z\u0142o\u017cono\u015bci takiego uk\u0142adu.<\/p>\n\n\n\n W latach 60. XX wieku rozwojem uk\u0142ad\u00f3w elektrochemicznych zacz\u0119\u0142a interesowa\u0107 si\u0119 ameryka\u0144ska agencja lot\u00f3w kosmicznych NASA. Przy planowaniu misji za\u0142ogowych rozwa\u017cano mo\u017cliwo\u015b\u0107 wykorzystania mikroorganizm\u00f3w do jednoczesnego utylizowania odpad\u00f3w organicznych oraz produkcji energii. W wyniku przeprowadzonych bada\u0144 wykazano, \u017ce mikrobiologiczne przetwarzanie moczu przez bakterie Bacillus pasteurii bezpo\u015brednio wp\u0142ywa\u0142o na zdolno\u015b\u0107 generowania pr\u0105du elektrycznego w ogniwie elektrochemicznym. Ostatecznie system nie zosta\u0142 jednak wykorzystany w misjach kosmicznych, ze wzgl\u0119du na nisk\u0105 g\u0119sto\u015b\u0107 uzyskiwanej mocy w stosunku do masy systemu oraz problemy ze stabilno\u015bci\u0105 uk\u0142adu [6]. Do prze\u0142omowych wniosk\u00f3w w swoich badaniach doszed\u0142 Williams, kt\u00f3ry wykaza\u0142, \u017ce \u017ar\u00f3d\u0142em energii elektrycznej mog\u0105 by\u0107 fermentuj\u0105ce odpady ro\u015blinne [29]. W swoim uk\u0142adzie w roli substratu wykorzysta\u0142 \u0142uski ry\u017cu, kt\u00f3re zosta\u0142y poddane fermentacji beztlenowej. W swoim do\u015bwiadczeniu Williams wygenerowa\u0142 40 mA pr\u0105du o napi\u0119ciu 6 V. Mimo stosunkowo wysokich pr\u0105d\u00f3w, rozwi\u0105zanie ogranicza\u0142a niestabilno\u015b\u0107 oraz niska sprawno\u015b\u0107 uk\u0142adu. Niezale\u017cnie od bada\u0144 nad mediatorami, prowadzone by\u0142y analizy zastosowania MFC z innymi substratami. W 1984 r., w wyniku zasilenia MFC odpadami zawieraj\u0105cymi laktoz\u0119, wykazano, \u017ce uk\u0142ad mo\u017ce pracowa\u0107 w systemie ci\u0105g\u0142ym przez dwa tygodnie, przy uzupe\u0142nianiu substratu [27]. W kolejnych latach udowodniono mo\u017cliwo\u015b\u0107 przetwarzania sacharozy w uk\u0142adzie z Proteus vulgaris oraz mediatorem w postaci tioniny, a tak\u017ce przetestowano w roli substratu \u015bcieki i odpady w\u0119glowodanowe [3]. Pierwsz\u0105 praktyczn\u0105 demonstracj\u0119 wykorzystania MFC w rzeczywistej oczyszczalni \u015bciek\u00f3w przeprowadzili Habermann i Pommer. W zaprojektowanym przez nich systemie MFC wykorzystano mikroorganizmy SRB (Sulfate-Reducing Bacteria), kt\u00f3re generowa\u0142y naturalny mediator, siarkowod\u00f3r. Pozwoli\u0142o to na rezygnacj\u0119 z mediator\u00f3w syntetycznych, co ograniczy\u0142o koszty, a tak\u017ce zapewni\u0142o samowystarczalno\u015b\u0107 uk\u0142adu. Uk\u0142ad Habermanna i Pommera dzia\u0142a\u0142 w systemie pracy ci\u0105g\u0142ej przez pi\u0119\u0107 lat, co udowodni\u0142o, \u017ce MFC mo\u017ce by\u0107 wykorzystane jako d\u0142ugoterminowa technologia do oczyszczania \u015bciek\u00f3w komunalnych [13].<\/p>\n\n\n\n Pod koniec lat 90. XX wieku wykazano, \u017ce bakterie redukuj\u0105ce metale tj. Shewanella putrefaciens, potrafi\u0105 zasili\u0107 MFC bez egzogennych mediator\u00f3w. Kim w trakcie swoich bada\u0144 wykaza\u0142 elektroaktywno\u015b\u0107 kom\u00f3rek Shewanella putrefaciens hodowanych beztlenowo oraz generacj\u0119 pr\u0105du z mleczanu przy braku barwnik\u00f3w redoks, co interpretowano jako bezpo\u015bredni kontaktowy transfer elektron\u00f3w (DET) przez zewn\u0119trzne cytochromy do anody Cho\u0107 Shewanella putrefaciens utlenia\u0142y mleczan nieca\u0142kowicie, co prowadzi\u0142o do wytwarzania nieznacznej ilo\u015bci energii, wskaza\u0142o to zdolno\u015b\u0107 niekt\u00f3rych mikroorganizm\u00f3w do bezpo\u015bredniego przenoszenia elektron\u00f3w do elektrod [18].<\/p>\n\n\n\n Efektywno\u015b\u0107 MFC zale\u017cy od parametr\u00f3w i dopasowania poszczeg\u00f3lnych komponent\u00f3w systemu, tj. elektrod, membran, wykorzystanych mikroorganizm\u00f3w i substrat\u00f3w. Na przestrzeni lat optymalizowano poszczeg\u00f3lne elementy uk\u0142adu i tworzono r\u00f3\u017cne konfiguracje po to, by uzyska\u0107 jak najlepsze parametry pracy systemu (rys. 2). Cho\u0107 w pocz\u0105tkowych MFC u\u017cywano mikroorganizmy bez rozwini\u0119tego DET, na prze\u0142omie XX i XXI wieku zacz\u0119to poszukiwa\u0107 bakterii cechuj\u0105cych si\u0119 bezpo\u015brednim kontaktowym transferem elektron\u00f3w, co umo\u017cliwia\u0142o ca\u0142kowit\u0105 rezygnacj\u0119 z wykorzystania mediator\u00f3w syntetycznych. Przy wykorzystaniu Geobacter sulfurreducens w MFC wykazano, \u017ce mikroorganizm tworzy stabilny biofilm na anodzie i podtrzymuje pr\u0105d po pe\u0142nej wymianie po\u017cywki [4]. W\u015br\u00f3d najbardziej znanych egzoelektrogen\u00f3w wyr\u00f3\u017cnia si\u0119 r\u00f3wnie\u017c mikroorganizmy z rodziny Shewanella [18].<\/p>\n\n\n\n W przypadku wykorzystania substratu z\u0142o\u017conego, materia organiczna musi w pierwszej kolejno\u015bci zosta\u0107 zhydrolizowana do cukr\u00f3w prostych, nast\u0119pnie sfermentowana do lotnych kwas\u00f3w t\u0142uszczowych, a w ostatnim etapie \u2013 utleniona przez egzoelektrogeny. Dla celulozy komponentem hydrolityczno-fermentacyjnym jest np. Clostridium cellulolyticum. Przy wytwarzaniu energii elektrycznej w MFC z wykorzystaniem otr\u0119b\u00f3w ry\u017cowych (60% poliacharyd\u00f3w), mo\u017cliwe jest zastosowanie konsorcjum mikroorganizm\u00f3w, w kt\u00f3rym Clostridium degraduje polimerow\u0105 celuloz\u0119 do glukozy, cz\u0119\u015b\u0107 glukozy jest fermentowana do kwas\u00f3w organicznych przez Clostridium i Bacteroides, a nast\u0119pnie kwasy te s\u0105 zu\u017cywane przez Geobacter do transferu elektron\u00f3w na anod\u0119 [32]. Substrat w postaci pulpy ziemniaczanej mo\u017ce by\u0107 rozk\u0142adany przez hydrolityczno-fermentacyjne bakterie z rodzaj\u00f3w Bacteroides, Flavobacterium (rozk\u0142ad skrobi) oraz Ruminococcus (rozk\u0142ad celulozy) [28].<\/p>\n\n\n\n Proces adaptacji mikroorganizm\u00f3w zwi\u0119ksza efektywno\u015b\u0107 wytwarzania energii przez MFC wykorzystuj\u0105ce \u015bcieki bytowe. Wzbogacanie w Geobacter sulfurreducens, poprzez dodanie do \u015bciek\u00f3w octanu, zwi\u0119ksza wydajno\u015b\u0107 kulombowsk\u0105, ale nie ca\u0142kowit\u0105 produkcj\u0119 pr\u0105du, kt\u00f3ra nie mo\u017ce si\u0119 odbywa\u0107 w wyniku braku wystarczaj\u0105cej ilo\u015bci hydrolizator\u00f3w i fermentator\u00f3w [11].<\/p>\n\n\n\n Jedn\u0105 z metod poprawy wydajno\u015bci MFC jest zwi\u0119kszenie powierzchni w\u0142a\u015bciwej anody, co umo\u017cliwia efektywniejsz\u0105 kolonizacj\u0119 bakterii egzoelektrogenicznych i, tym samym, zwi\u0119ksza transfer elektron\u00f3w. Konieczne jest przy tym uwzgl\u0119dnienie porowato\u015bci materia\u0142u, poniewa\u017c zbyt ma\u0142e pory tj. 2\u20137 \u03bcm, jak np. w piance w\u0119glowej, s\u0105 zatykane przez biofilm, co prowadzi do obumierania bakterii wewn\u0105trz oraz spadku generowanej mocy. Wykorzystanie anody szczotkowej, sk\u0142adaj\u0105cej si\u0119 z wielu cienkich w\u0142\u00f3kien w\u0119glowych, pozwoli\u0142o na zwi\u0119kszenie maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy z 1070 mW\/m2, osi\u0105ganej przez MFC z anod\u0105 z tkaniny w\u0119glowej, do 2400 mW\/m2, co wynika\u0142o m.in. ze wzrostu efektywnej powierzchni anody oraz redukcji oporu wewn\u0119trznego MFC [23].<\/p>\n\n\n\n Dla zwi\u0119kszenia efektywno\u015bci materia\u0142\u00f3w w\u0119glowych zaproponowano tak\u017ce nanorurki w\u0119glowe (CNT), kt\u00f3re pozwoli\u0142y na osi\u0105gni\u0119cie o 68% wy\u017cszej maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy od analogicznego MFC wykorzystuj\u0105cego anod\u0119 z tkaniny w\u0119glowej. Nanorurki w\u0119glowe s\u0105 jednak toksyczne dla mikroorganizm\u00f3w, poniewa\u017c uszkadzaj\u0105 struktury b\u0142on kom\u00f3rkowych, [17].<\/p>\n\n\n\n Testuj\u0105c mo\u017cliwo\u015bci poprawy wydajno\u015bci MFC wykazano, \u017ce poddanie anody w\u0119glowej obr\u00f3bce amoniakiem w wysokiej temperaturze skutkuje wprowadzeniem grup zawieraj\u0105cych azot na powierzchni\u0119, co zwi\u0119ksza reaktywno\u015b\u0107 powierzchni [23].<\/p>\n\n\n\n Dla poprawy efektywno\u015bci MFC korzystna jest modyfikacja grafenem, co wynika m.in. z wysokiej przewodno\u015bci i du\u017cej powierzchni w\u0142a\u015bciwej materia\u0142u. Dla grafenu pozyskiwanego w redukcji chemicznej powierzchnia w\u0142a\u015bciwa jest wi\u0119ksza od powierzchni filcu grafitowego ok. 500 razy [33].<\/p>\n\n\n\n Zwi\u0119kszanie chropowato\u015bci powierzchni i poprawa przewodno\u015bci powierzchni elektrody mo\u017cliwe jest r\u00f3wnie\u017c poprzez modyfikacj\u0119 anody polimerami. Modyfikacja anody z filcu w\u0119glowego materia\u0142ami polimerowymi pozwoli\u0142a na zwi\u0119kszenie g\u0119sto\u015bci mocy wzgl\u0119dem MFC z anod\u0105 niemodyfikowan\u0105 o 35% dla polianiliny PANI oraz o 18% dla polimeru PAOA. Wynika to m.in. z szybszego zasiedlenia anod przez bakterie, poprawy r\u00f3\u017cnorodno\u015bci mikrobiologicznej na anodach modyfikowanych oraz redukcji oporu wewn\u0119trznego [20].<\/p>\n\n\n\n Biomasa ro\u015blinna po odpowiedniej obr\u00f3bce termicznej zostaje przekszta\u0142cona w w\u0119giel porowaty, kt\u00f3ry mo\u017ce znale\u017a\u0107 zastosowanie jako efektywny i niskokosztowy materia\u0142 elektrodowy. Por\u00f3wnanie anody z biocharu aktywowanego KOH i nieaktywowanego wykaza\u0142o, \u017ce aktywacja materia\u0142u, w wyniku wytworzenia mezoporowej struktury na powierzchni elektrody, zwi\u0119ksza dwukrotnie osi\u0105gane przez MFC g\u0119sto\u015bci mocy, kt\u00f3re mog\u0105 przewy\u017csza\u0107 g\u0119sto\u015bci mocy osi\u0105gane przez materia\u0142y konwencjonalne tj. filc grafitowy [31]. Wykorzystanie anody z \u0142upin kasztan\u00f3w poddanych karbonizacji i aktywacji w MFC pozwoli\u0142o na uzyskanie 2,3-razy wi\u0119kszej g\u0119sto\u015bci mocy od analogicznego uk\u0142adu wykorzystuj\u0105cego tkanin\u0119 w\u0119glow\u0105 [10]. Anoda z w\u0119gla pochodz\u0105cego z odpad\u00f3w kawowych w uk\u0142adzie MFC doprowadzi\u0142a do osi\u0105gni\u0119cia maksymalnej g\u0119sto\u015bci mocy r\u00f3wnej 3800 mW\/m2 [14].<\/p>\n\n\n\n Kluczowym elementem warunkuj\u0105cym efektywno\u015b\u0107 MFC jest katoda. Jako, \u017ce, zachodz\u0105ca na niej, reakcja redukcji tlenu ORR jest powolna i stanowi czynnik limituj\u0105cy osi\u0105gan\u0105 moc, wsp\u00f3\u0142cze\u015bnie wykorzystuje si\u0119 katalizatory przy\u015bpieszaj\u0105ce przebieg procesu. Standardowe katalizatory platynowe, cho\u0107 cechuj\u0105 si\u0119 wysok\u0105 aktywno\u015bci\u0105 w ORR, s\u0105 drogie i podatne na zatrucia siarkowodorem, co prowadzi\u0107 mo\u017ce do zaniku stabilno\u015bci MFC [5]. Wykazano, \u017ce dobrymi w\u0142a\u015bciwo\u015bciami katalitycznymi charakteryzuje si\u0119 tlenek manganu o strukturze krystalicznej OMS-2 (Octahedral Molecular Sieve-2). Domieszkowanie kobaltem lub miedzi\u0105 pozwoli\u0142o na zwi\u0119kszenie efektywno\u015bci katalizatora MnO2 i uzyskanie g\u0119sto\u015bci mocy wy\u017cszych ni\u017c w przypadku zastosowania tradycyjnych katalizator\u00f3w platynowych. Katalizator MnO2 z domieszkami wykazuje si\u0119 r\u00f3wnie\u017c dwukrotnie wy\u017cszym parametrem usuwania COD, jest znacznie ta\u0144szy od platyny i bardziej odporny na zatrucia [24].<\/p>\n\n\n\n Dla redukcji koszt\u00f3w katalizator\u00f3w oraz zwi\u0119kszenia efektywno\u015bci ORR na katodzie wykorzysta\u0107 mo\u017cna r\u00f3wnie\u017c stopy platyny z innymi metalami. Katalizator Pt-Ni w MFC umo\u017cliwi\u0142 wytworzenie g\u0119sto\u015bci mocy 3,5-krotnie wy\u017cszej ni\u017c mia\u0142o to miejsce przy wykorzystaniu katalizatora platynowego, co by\u0142o wynikiem synergicznego dzia\u0142ania platyny i niklu w stopie prowadz\u0105cego do obni\u017cenia nadpotencja\u0142u redukcji tlenu [7].<\/p>\n\n\n\n Od pocz\u0105tku rozwoju technologii MFC, najpopularniejszym materia\u0142em wykorzystywanym w roli membrany PEM jest Nafion\u00ae, czyli perfluorowany polimer kwasu sulfonowego, co wynika z wysokiej przewodno\u015bci protonowej oraz stabilno\u015bci chemicznej i termicznej materia\u0142u. W zwi\u0105zku z wykazaniem niekorzystnych cech Nafionu tj. wyciek tlenu na anod\u0119, preferencyjny transport wyst\u0119puj\u0105cych w du\u017cych st\u0119\u017ceniach kation\u00f3w i ich reakcja na katodzie, strata substratu i zanieczyszczenie biofilmem po d\u0142u\u017cszym czasie eksploatacji oraz wysokimi kosztami tego materia\u0142u zacz\u0119to testowa\u0107 mo\u017cliwo\u015b\u0107 wykorzystania w roli membrany innych materia\u0142\u00f3w [8].<\/p>\n\n\n\n Jedn\u0105 z pierwszych alternatyw by\u0142y membrany sulfonowe powsta\u0142e na bazie polimer\u00f3w aromatycznych. Sulfonowany polieteroeteroketon SPEEK jest polimerem, kt\u00f3ry po wprowadzeniu grup sulfonowych \u2013SO3H, zyskuje zdolno\u015b\u0107 przewodzenia proton\u00f3w. Dla uzyskania odpowiednio wysokiego przewodnictwa konieczne jest zapewnienie wysokiego stopnia sulfonowania DS, kt\u00f3ry jednak mo\u017ce powodowa\u0107 p\u0119cznienie i rozpuszczanie polimeru, co obni\u017ca jego wytrzyma\u0142o\u015b\u0107 i stabilno\u015b\u0107 chemiczn\u0105 [21].<\/p>\n\n\n\n Du\u017c\u0105 grup\u0119 stanowi\u0105 membrany porowate, kt\u00f3re, cho\u0107 fizycznie oddzielaj\u0105 komory anodow\u0105 i katodow\u0105, nie posiadaj\u0105 aktywnych grup jonowymiennych, w zwi\u0105zku z czym transport \u0142adunku odbywa si\u0119 poprzez swobodn\u0105 dyfuzj\u0119 wszystkich jon\u00f3w przez wype\u0142nione elektrolitem pory. Cechuj\u0105 si\u0119 nieselektywno\u015bci\u0105 jonow\u0105, w wyniku czego przenoszone mog\u0105 by\u0107 zar\u00f3wno kationy, jak i aniony, zgodnie z gradientem st\u0119\u017ce\u0144 [26]. Przyk\u0142ad membran porowych stanowi\u0105 niskokosztowe membrany tekstylne, tj. J-cloth. Materia\u0142 wykazuje si\u0119 dobr\u0105 przepuszczalno\u015bci\u0105 dla jon\u00f3w oraz \u0142atw\u0105 dost\u0119pno\u015bci\u0105, jednak jego sprawno\u015b\u0107 kulombowska jest niska w por\u00f3wnaniu do innych separator\u00f3w [34].<\/p>\n\n\n\n Do membran porowatych zalicza si\u0119 r\u00f3wnie\u017c membrany ceramiczne. W wyniku spiekania gliny naturalnej tworzy si\u0119 porowata struktura umo\u017cliwiaj\u0105ca transport proton\u00f3w poprzez ich przeskakiwanie mi\u0119dzy ujemnie na\u0142adowanymi grupami tj. krzemiany i gliniany. Jedn\u0105 z g\u0142\u00f3wnych wad membran ceramicznych jest wyst\u0119powanie zjawiska odk\u0142adania si\u0119 biofilmu na katodzie, co wynika m.in. z wysokiej porowato\u015bci materia\u0142u i braku selektywno\u015bci jonowej w membranie [15]. Jednym z obszar\u00f3w zastosowa\u0144 MFC s\u0105 biosensory, kt\u00f3re wykorzystuj\u0105 zale\u017cno\u015b\u0107 pomi\u0119dzy generowanym sygna\u0142em elektrycznym a biochemicznym zapotrzebowaniem na tlen BOD, chemicznym zapotrzebowaniem na tlen COD lub st\u0119\u017ceniem substancji toksycznych. Konstruowane s\u0105 r\u00f3wnie\u017c czujniki zanurzalne, kt\u00f3re cechuj\u0105 si\u0119 mo\u017cliwo\u015bci\u0105 mierzenia BOD zbiornik\u00f3w wodnych, co eliminuje konieczno\u015b\u0107 pobierania pr\u00f3bek i przeprowadzania konwencjonalnych test\u00f3w laboratoryjnych. Czujniki oparte na MFC wykazuj\u0105 jednak ograniczone m.in. przez zmieniaj\u0105c\u0105 si\u0119 w czasie struktur\u0119 biofilmu na elektrodach oraz obecno\u015b\u0107 substancji toksycznych zaburzaj\u0105cych sygna\u0142 elektryczny [30].<\/p>\n\n\n\n Innym kierunkiem rozwoju wsp\u00f3\u0142czesnych MFC jest wykorzystanie ich jako \u017ar\u00f3de\u0142 energii dla rozproszonych urz\u0105dze\u0144. Dzi\u0119ki zdolno\u015bci do wykorzystywania materii organicznej pochodz\u0105cej m.in. z osad\u00f3w dennnych, gleb lub \u015bciek\u00f3w, MFC mo\u017ce zapewni\u0107 d\u0142ugotrwa\u0142e zasilanie off-grid. Glebowe MFC z anod\u0105 pod powierzchni\u0105 ziemi oraz katod\u0105 ulokowan\u0105 na jej powierzchni mog\u0105 by\u0107 wykorzystywane do zasilania sieci czujnik\u00f3w bezprzewodowych. Ci\u0105g\u0142e zasilanie urz\u0105dze\u0144 wy\u0142\u0105cznie z MFC jest mo\u017cliwe jednak tylko dla sprz\u0119tu o bardzo niskim zapotrzebowaniu energetycznym [16].<\/p>\n\n\n\n Ze wzgl\u0119du na mo\u017cliwo\u015b\u0107 jednoczesnego usuwania zanieczyszcze\u0144 organicznych i odzysk energii, jednym z najbardziej obiecuj\u0105cych obszar\u00f3w rozwoju MFC s\u0105 oczyszczalnie \u015bciek\u00f3w. W ostatnich latach przeprowadzono szereg pilota\u017cowych wdro\u017ce\u0144, kt\u00f3re mia\u0142y na celu oceni\u0107 wydajno\u015b\u0107 tej technologii w warunkach zbli\u017conych do rzeczywistych. Jednym z nich jest technologia BETT (z ang. Bioelectrochemical Treatment Technology). BETT opiera si\u0119 na modu\u0142owym systemie MFC w uk\u0142adzie przep\u0142ywowym, kt\u00f3rych g\u0142\u00f3wnym zadaniem jest oczyszczanie \u015bciek\u00f3w przemys\u0142owych oraz redukcja emisji CO2. Sk\u0142ada si\u0119 on z 28 po\u0142\u0105czonych szeregowo jednostek anodowych, kt\u00f3re wykonane zosta\u0142y z przewodz\u0105cego rdzenia pokrytego materia\u0142em z w\u0142\u00f3kna w\u0119glowego. Do uk\u0142adu szeregowo pod\u0142\u0105czone s\u0105 dwie powietrzne katody. Uk\u0142ad pilota\u017cowy, z\u0142o\u017cony z 12 uk\u0142ad\u00f3w BETT, zbiornik\u00f3w wyr\u00f3wnawczych, zasilaj\u0105cych i zbiorczych, przetestowano w USA na przep\u0142ywie \u015bciek\u00f3w browarniczych wynosz\u0105cym 0,6 m3\/d. Przy hydraulicznym czasie retencji HRT r\u00f3wnym 4h osi\u0105gni\u0119to efektywno\u015b\u0107 usuwania COD wynosz\u0105c\u0105 33% oraz ca\u0142kowitej zawiesiny TSS 79%. Zmierzona g\u0119sto\u015b\u0107 mocy uk\u0142adu BETT wynios\u0142a 114 mW\/m2 [2]. W podobny spos\u00f3b uk\u0142ad MFC wykorzystano do oczyszczania odpad\u00f3w trzody chlewnej w Kalifornii. Uk\u0142ad z\u0142o\u017cony z 12 jednokomorowych MFC po\u0142\u0105czonych szeregowo wykaza\u0142 efektywno\u015b\u0107 usuwania COD do 65% oraz odzysk energii netto wynosz\u0105cy 0,11 kWh\/kg COD [1].<\/p>\n\n\n\n Mimo korzy\u015bci MFC, masowe wdro\u017cenie tej technologii w oczyszczalniach i zak\u0142adach przemys\u0142owych wymaga przezwyci\u0119\u017cenia licznych wyzwa\u0144. Jedn\u0105 z podstawowych trudno\u015bci jest skalowanie, kt\u00f3re prowadzi do wzrostu opor\u00f3w wewn\u0119trznych wynikaj\u0105cych m.in. z d\u0142u\u017cszej drogi jon\u00f3w w wi\u0119kszych komorach i gorszej dyfuzja substratu do g\u0142\u0119bszych warstw biofilmu, a tak\u017ce do problem\u00f3w z jednorodno\u015bci\u0105 warunk\u00f3w w reaktorze. Pilota\u017cowe MFC wykazuj\u0105 du\u017c\u0105 zmienno\u015b\u0107 wydajno\u015bci w zale\u017cno\u015bci od warunk\u00f3w \u015brodowiskowych tj. zmiany pH, temperatura i obci\u0105\u017cenie organiczne [9]. MFC jednak wci\u0105\u017c stanowi\u0105 technologi\u0119 rozwijaj\u0105c\u0105 si\u0119, a post\u0119p w obszarze materia\u0142oznawstwa i technologii mo\u017ce stopniowo eliminowa\u0107 bariery, czyni\u0105c MFC konkurencyjnym i zr\u00f3wnowa\u017conym rozwi\u0105zaniem w gospodarce odpadami i w zasilaniu urz\u0105dze\u0144.<\/p>\n\n\n\n [1] Chakma, R., Hossain, M. K., Paramasivam, P., Bousbih, R., Amami, M., Toki, G. I., Haldar, R., & Karmaker, A. K. (2025). Recent applications, challenges, and future prospects of microbial fuel cells: A review. Global Challenges, 9(5). https:\/\/doi.org\/10.1002\/gch2.202500004<\/a><\/p>\n\n\n\n [2] Potter, M. C. (1911). Electrical effects accompanying the decomposition of organic compounds. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 84(571), 260\u2013276.<\/p>\n\n\n\n [3] Cohen, B. (1931). The bacterial culture as an electrical half-cell. Journal of Bacteriology, 21, 18\u201319.<\/p>\n\n\n\n [4] Canfield, J. H., Goldner, B. H., & Lutwack, R. (1963). Research on applied bioelectrochemistry. Report no. 1. Utilization of human wastes as electrochemical fuels. Magna Corporation; National Aeronautics and Space Administration.<\/p>\n\n\n\n [5] Williams, K. R. (1966). An introduction to fuel cells. Elsevier Publishing Company.<\/p>\n\n\n\n [6] Roller, S. D., Bennetto, H. P., Delaney, G. M., Mason, J. R., Stirling, J. L., & Thurston, C. D. (1984). Electron-transfer coupling in microbial fuel cells, 1: Comparison of redox mediator reduction rates and respiratory rates of bacteria. Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 34(1), 3\u201312.<\/p>\n\n\n\n [7] Bennetto, H. P., Delaney, G. M., Mason, J. R., Roller, S. D., Stirling, J. L., Thurston, C. F., & White, D. R., Jr. (1986). An electrochemical bioreactor for treatment of carbohydrate wastes and effluents. Alternative Energy Sources, 4, 143\u2013157.<\/p>\n\n\n\n [8] Habermann, W., & Pommer, E. H. (1991). Biological fuel cells with sulphide storage capacity. Applied Microbiology and Biotechnology, 35(1), 128\u2013133.<\/p>\n\n\n\n [9] Kim, B. H., Kim, H. J., Hyun, M. S., & Park, D. H. (1999). Direct electrode reaction of Fe(III)-reducing bacterium, Shewanella putrefaciens. Journal of Microbiology and Biotechnology, 9(2), 127\u2013131.<\/p>\n\n\n\n [10] Bond, D. R., & Lovley, D. R. (2002). Electricity production by Geobacter sulfurreducens attached to electrodes. Applied and Environmental Microbiology, 69(3), 1548\u20131555.<\/p>\n\n\n\n [11] Yoshimura, Y., Nakashima, K., Kato, M., Inoue, K., Okazaki, F., Soyama, H., & Kawasaki, S. (2018). Electricity generation from rice bran by a microbial fuel cell and the influence of hydrodynamic cavitation pretreatment. ACS Omega, 3(11), 15267\u201315271. https:\/\/doi.org\/10.1021\/acsomega.8b02171<\/a><\/p>\n\n\n\n [12] Tian, Y., Mei, X., Liang, Q., Wu, D., Ren, N., & Xing, D. (2017). Biological degradation of potato pulp waste and microbial community structure in microbial fuel cells. RSC Advances, 7, 8376\u20138380. https:\/\/doi.org\/10.1039\/C6RA28599A<\/a><\/p>\n\n\n\n [13] Christgen, B., Spurr, M., Milner, E. M., Izadi, P., McCann, C., Yu, E., Curtis, T., Scott, K., & Head, I. M. (2023). Does pre-enrichment of anodes with acetate to select for Geobacter spp. enhance performance of microbial fuel cells when switched to more complex substrates? Frontiers in Microbiology, 14, 1199286. https:\/\/doi.org\/10.3389\/fmicb.2023.1199286<\/a><\/p>\n\n\n\n [14] Logan, B. E., Cheng, S., Watson, V., & Estadt, G. (2007). Graphite fiber brush anodes for increased power production in air-cathode microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 41(9), 3341\u20133346.<\/p>\n\n\n\n [15] Karwowska, E., Mia\u015bkiewicz-P\u0119cka, E., & Za\u0142\u0119ska-Radziwi\u0142\u0142, M. (2015). Wp\u0142yw nanoprodukt\u00f3w na wybrane organizmy \u2013 ocena ekotoksykologiczna. In\u017cynieria i Ochrona \u015arodowiska, 18(1), 109\u2013118.<\/p>\n\n\n\n [16] Li, C., Zhang, L., Ding, L., Ren, H., & Cui, H. (2011). Effect of conductive polymers coated anode on the performance of a microbial fuel cell (MFCs) and its biodiversity analysis. Biosensors and Bioelectronics, 26(10), 4169\u20134176.<\/p>\n\n\n\n [17] Yin, H., Zhang, M., Xu, X., & Chen, X. (2025). Modulation of biomass-based anode specific surface area and electrical conductivity on the enhancement of microbial fuel cell power generation capacity. Journal of Chemical Technology & Biotechnology. https:\/\/doi.org\/10.1002\/jctb.70097<\/a><\/p>\n\n\n\n [18] Chen, Q., Pu, W., Hou, H., Hu, J., Liu, B., Li, J., Cheng, K., Huang, L., Yuan, X., Yang, C., & Yang, J. (2018). Activated microporous\u2013mesoporous carbon derived from chestnut shell as a sustainable anode material for high performance microbial fuel cells. Bioresource Technology, 249, 567\u2013573.<\/p>\n\n\n\n [19] Hung, Y.-H., Liu, T.-Y., & Chen, H.-Y. (2019). Renewable coffee waste-derived porous carbons as anode materials for high-performance sustainable microbial fuel cells. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 7(20), 16991\u201316999.<\/p>\n\n\n\n [20] Brouzgou, A., Song, S. Q., & Tsiakaras, P. (2012). Low and non-platinum electrocatalysts for PEMFCs: Current status, challenges and prospects. Applied Catalysis B: Environmental, 127, 371\u2013388.<\/p>\n\n\n\n [21] Lu, M., Kharkwal, S., Ng, H. Y., & Li, S. F. Y. (2010). Carbon nanotube supported MnO\u2082 catalysts for oxygen reduction reaction and their applications in microbial fuel cells. Biosensors and Bioelectronics, 26(12), 4728\u20134732.<\/p>\n\n\n\n [22] Cetinkaya, A. Y., Ozdemir, O. K., Koroglu, E. O., Hasimoglu, A., & Ozkaya, B. (2015). The development of catalytic performance by coating Pt\u2013Ni on CMI7000 membrane as a cathode of a microbial fuel cell. Bioresource Technology, 195, 188\u2013193.<\/p>\n\n\n\n [23] Chae, K.-J., Choi, M.-J., Lee, J., Kim, I. S., & Kim, K. Y. (2007). Effect of proton exchange membranes on performance of microbial fuel cells. Journal of Power Sources, 171(2), 348\u2013354.<\/p>\n\n\n\n [24] Li, L., Zhang, J., & Wang, Y. (2003). Sulfonated poly(ether ether ketone) membranes for direct methanol fuel cells. Journal of Membrane Science, 226(1\u20132), 159\u2013167.<\/p>\n\n\n\n [25] Ram\u00edrez-Nava, J., Mart\u00ednez-Castrej\u00f3n, M., Garc\u00eda-Mesino, R. L., L\u00f3pez-D\u00edaz, J. A., Talavera-Mendoza, O., Sarmiento-Villagrana, A., Rojano, F., & Hern\u00e1ndez-Flores, G. (2021). The implications of membranes used as separators in microbial fuel cells. Membranes, 11(10), 738. https:\/\/doi.org\/10.3390\/membranes11100738<\/a><\/p>\n\n\n\n [26] Zhang, X., Cheng, S., Wang, X., Huang, X., & Logan, B. E. (2009). Separator characteristics for increasing performance of microbial fuel cells. Environmental Science & Technology, 43(21), 8456\u20138461.<\/p>\n\n\n\n [27] Liu, H., & Logan, B. E. (2004). Electricity generation using an air-cathode single chamber microbial fuel cell in the presence and absence of a proton exchange membrane. Environmental Science & Technology, 38(14), 4040\u20134046.<\/p>\n\n\n\n [28] Leong, J. X., Wan Daud, W. R., Ghasemi, M., Liew, K. B., & Ismail, M. (2013). Ion exchange membranes as separators in microbial fuel cells for bioenergy conversion: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 28, 575\u2013587.<\/p>\n\n\n\n [29] Yao, H., Xiao, J., & Tang, X. (2023). Microbial fuel cell-based organic matter sensors: Principles, structures and applications. Bioengineering, 10(8), 886. https:\/\/doi.org\/10.3390\/bioengineering10080886<\/a><\/p>\n\n\n\n [30] Jalili, P., Ala, A., Nazari, P., Jalili, B., & Domiri Ganji, D. (2024). A comprehensive review of microbial fuel cells considering materials, methods, structures, and microorganisms. Heliyon, 10(3), e25439. https:\/\/doi.org\/10.1016\/j.heliyon.2024.e25439<\/a><\/p>\n\n\n\n [31] Babanova, S., Jones, J., Wiseman, K., Soles, J., Gracia, J., Huerta, P., Barocio, D., Naito, R., Arreola, O., Gracia, G., & Bretschger, O. (2022). Bioelectrochemical treatment technology\u2014The new practical approach for wastewater management and GHG emissions reduction. Frontiers in Chemical Engineering, 4, 832505. https:\/\/doi.org\/10.3389\/fceng.2022.832505<\/a><\/p>\n\n\n\n [32] Babanova, S., Jones, J., Phadke, S., Lu, M., Angulo, C., Gracia, J., Carpenter, K., Cortese, R., Chen, S., Phan, T., & Bretschger, O. (2020). Continuous flow, large-scale, microbial fuel cell system for the sustained treatment of swine waste. Water Environment Research, 92(1), 60\u201367. https:\/\/doi.org\/10.1002\/wer.1183<\/a><\/p>\n\n\n\n [33] Jadhav, D. A., Park, S.-G., Eisa, T., Mungray, A. K., Madenli, E. C., Olabi, A.-G., Abdelkareem, M. A., & Chae, K.-J. (2022). Current outlook towards feasibility and sustainability of ceramic membranes for practical scalable applications of microbial fuel cells. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 167, 112708<\/p>\n\n\n\n <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
DOI: 10.65545\/GWITS.2026.01.05<\/strong>, GWiTS 1\/2026, stycze\u0144 2026<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n
W artykule przedstawiono histori\u0119 rozwoju mikrobiologicznych ogniw paliwowych od ich powstania do czas\u00f3w wsp\u00f3\u0142czesnych. Wskazano na najwa\u017cniejsze ograniczenia w zastosowaniu, kt\u00f3re zwi\u0105zane by\u0142y z niskim nat\u0119\u017ceniem pr\u0105du i niestabilno\u015bci\u0105 uk\u0142ad\u00f3w. Om\u00f3wiono rozw\u00f3j technologii oparty na doborze mikroorganizm\u00f3w, wzbogacaniu substratu oraz optymalizacji materia\u0142owej anod, membran i katalizator\u00f3w. Opisano r\u00f3wnie\u017c wsp\u00f3\u0142czesne zastosowania MFC w roli biosensor\u00f3w oraz \u017ar\u00f3de\u0142 zasilania dla urz\u0105dze\u0144 rozproszonych. Podano tak\u017ce przyk\u0142ady wdro\u017ce\u0144 pilota\u017cowych MFC w oczyszczalniach \u015bciek\u00f3w i przedstawiono g\u0142\u00f3wne wyzwania, kt\u00f3re na obecnym etapie rozwoju stanowi\u0105 barier\u0119 dla powszechnego wykorzystania tego rozwi\u0105zania w skali przemys\u0142owej.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>The article presents the history of the development of microbial fuel cells from their inception to the present day. It highlights the most significant limitations in their application, which were related to low current density and system instability. It discusses the development of technology based on the selection of microorganisms, substrate enrichment and material optimisation of anodes, membranes and catalysts. It also describes contemporary applications of MFCs as biosensors and power sources for distributed devices. Examples of MFC pilot implementations in sewage treatment plants are given and the main challenges that currently constitute a barrier to the widespread use of this solution on an industrial scale are presented.<\/p>\n\n\n\n
\n\n\n\n1. Wprowadzenie<\/h3>\n\n\n\n
Fig. 1. MFC operation diagram, own work<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n2. Pocz\u0105tki rozwoju koncepcji MFC<\/h3>\n\n\n\n
Na pocz\u0105tku lat 80. pojawi\u0142a si\u0119 koncepcja wykorzystania MFC z mediatorami, czyli ze zwi\u0105zkami redoks przenosz\u0105cymi elektrony z wn\u0119trza kom\u00f3rek mikroorganizm\u00f3w na powierzchni\u0119 anody (zast\u0119puj\u0105 one bezpo\u015bredni transfer elektron\u00f3w w przypadku bakterii pozbawionych efektywnego EET). Dodatkowo wykazano, \u017ce mediatory redukuj\u0105 si\u0119 szybciej ni\u017c kom\u00f3rka produkuje elektrony, co oznacza, i\u017c g\u0142\u00f3wnymi ograniczeniami MFC z mediatorem nie jest biologia kom\u00f3rki, a w\u0142a\u015bciwo\u015bci mediatora i elektrod [27].<\/p>\n\n\n\n
Fig. 2. Directions of MFC improvement, own study<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n3. Optymalizacja i doskonalenie uk\u0142ad\u00f3w MFC<\/h3>\n\n\n\n
Dla obni\u017cenia koszt\u00f3w i uproszczenia konstrukcji MFC mo\u017cliwe jest wykorzystanie uk\u0142adu pozbawionego membrany. Do zalet tego typu rozwi\u0105zania zalicza si\u0119 redukcj\u0119 ca\u0142kowitej rezystancji uk\u0142adu, co wynika z wyeliminowania oporu membrany i zapewnienia swobodnego przemieszczania si\u0119 proton\u00f3w i innych kation\u00f3w w ca\u0142ej obj\u0119to\u015bci ogniwa. Opracowane ogniwo jednokomorowe z katod\u0105 powietrzn\u0105, pozbawione membrany polimerowej i substratem w postaci glukozy umo\u017cliwi\u0142o uzyskanie g\u0119sto\u015b\u0107 mocy 494 mW\/m\u00b2, co stanowi\u0142o warto\u015b\u0107 niemal dwukrotnie wi\u0119ksz\u0105 od otrzymywanych g\u0119sto\u015bci mocy w tradycyjnych, dwukomorowych uk\u0142adach z membran\u0105 PEM [22]. Ze wzgl\u0119du na dyfuzj\u0119 tlenu na anodzie szacuje si\u0119, \u017ce MFC pozbawione membrany osi\u0105gaj\u0105 sprawno\u015b\u0107 kulombowsk\u0105 ni\u017csz\u0105 od uk\u0142ad\u00f3w konwencjonalnych o ok. 20% [19].<\/p>\n\n\n\n4. Wyzwania stoj\u0105ce przed wdro\u017ceniem MFC<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\n5. Literatura<\/h3>\n\n\n\n
\n\n\n\n