เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ ( MFC ) เป็น ระบบเซลล์เชื้อเพลิงชีวไฟฟ้าเคมีชนิดหนึ่ง^{[ 1 ]}หรือที่รู้จักกันในชื่อเซลล์เชื้อเพลิงขนาดเล็ก ซึ่งสร้างกระแสไฟฟ้าโดยการเบี่ยงเบนอิเล็กตรอนที่ผลิตจากการออกซิเดชันของสารประกอบที่ลดลงโดยจุลินทรีย์ (เรียกอีกอย่างว่าเชื้อเพลิงหรือผู้ให้อิเล็กตรอน ) บนแอโนดไปยังสารประกอบที่ถูกออกซิไดซ์ เช่นออกซิเจน (เรียกอีกอย่างว่าสารออกซิไดซ์หรือผู้รับอิเล็กตรอน ) บนแคโทดผ่านวงจรไฟฟ้า ภายนอก MFC ผลิตไฟฟ้าโดยใช้อิเล็กตรอนที่ได้จากปฏิกิริยาชีวเคมีที่เร่งปฏิกิริยาโดยแบคทีเรีย^{[ 2 ]} MFC สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบมีตัวกลางและแบบไม่มีตัวกลาง MFC รุ่นแรกที่แสดงให้เห็นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ใช้ตัวกลาง: สารเคมีที่ถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากแบคทีเรียในเซลล์ไปยังแอโนด MFC แบบไม่มีตัวกลางเกิดขึ้นในทศวรรษ 1970 ใน MFC ประเภทนี้ แบคทีเรียมักจะมีโปรตีนรีดอกซ์ที่ ทำงานทางไฟฟ้าเคมี เช่นไซโตโครมบนเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอก ซึ่งสามารถถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังแอโนดได้โดยตรง^{[ 3 ] [ 4 ]}ในศตวรรษที่ 21 MFC เริ่มมีการนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ในการบำบัดน้ำเสีย^{[ 5 ]}

แนวคิดในการใช้จุลินทรีย์เพื่อผลิตไฟฟ้าเกิดขึ้นในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 ไมเคิล เครสเซ่ พอตเตอร์เป็นผู้ริเริ่มหัวข้อนี้ในปี 1911 ^{[ 6 ]}พอตเตอร์สามารถผลิตไฟฟ้าจากSaccharomyces cerevisiae ได้ แต่ผลงานนี้ไม่ค่อยได้รับความสนใจมากนัก ในปี 1931 บาร์เน็ตต์ โคเฮน ได้สร้าง เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบครึ่ง เซลล์ ซึ่งเมื่อต่ออนุกรมกันแล้ว สามารถผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 35 โวลต์ โดยใช้กระแสไฟฟ้าเพียง 2 มิลลิแอมป์^{[ 7 ]}

การศึกษาโดย DelDuca และคณะ ใช้ไฮโดรเจนที่ผลิตจากการหมักกลูโคสโดยClostridium butyricumเป็นสารตั้งต้นที่ขั้วบวกของเซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจนและอากาศ แม้ว่าเซลล์จะทำงานได้ แต่ก็ไม่น่าเชื่อถือเนื่องจากลักษณะที่ไม่เสถียรของการผลิตไฮโดรเจนโดยจุลินทรีย์^{[ 8 ]}ปัญหานี้ได้รับการแก้ไขโดย Suzuki และคณะในปี 1976 ^{[ 9 ]}ซึ่งได้ออกแบบ MFC ที่ประสบความสำเร็จในอีกหนึ่งปีต่อมา^{[ 10 ]}

ในช่วงปลายทศวรรษ 1970 ความเข้าใจเกี่ยวกับกลไกการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ยังมีน้อยมาก แนวคิดนี้ได้รับการศึกษาโดย Robin M. Allen และต่อมาโดย H. Peter Bennetto ผู้คนมองว่าเซลล์เชื้อเพลิงเป็นวิธีการผลิตไฟฟ้าที่เป็นไปได้สำหรับประเทศกำลังพัฒนา งานของ Bennetto ซึ่งเริ่มต้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ช่วยสร้างความเข้าใจเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเซลล์เชื้อเพลิง และเขาได้รับการยกย่องจากบางคนว่าเป็นผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในหัวข้อนี้

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2550 มหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ประเทศออสเตรเลีย ได้สร้างต้นแบบ MFC เสร็จสมบูรณ์โดยความร่วมมือกับFoster's Brewingต้นแบบดังกล่าวมีขนาด 10 ลิตร สามารถเปลี่ยนน้ำเสียจากโรงเบียร์ให้เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำสะอาด และไฟฟ้าได้ กลุ่มดังกล่าวมีแผนที่จะสร้างแบบจำลองขนาดนำร่องสำหรับการประชุมพลังงานชีวภาพระดับนานาชาติที่จะจัดขึ้นในอนาคต^{[ 11 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFC) เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้าโดยการทำงานของจุลินทรีย์^{[ 12 ]} เซลล์ไฟฟ้าเคมีเหล่านี้สร้างขึ้นโดยใช้ไบโอแอโนดและ/หรือไบโอแคโทด MFC ส่วนใหญ่มีเม มเบรนเพื่อแยกส่วนของแอโนด (ที่เกิดการออกซิเดชัน) และแคโทด (ที่เกิดการรีดักชัน) อิเล็กตรอนที่ผลิตขึ้นระหว่างการออกซิเดชันจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กโทรดโดยตรงหรือไปยัง สารตัวกลาง รีดอกซ์ กระแสอิเล็กตรอนจะเคลื่อนไปยังแคโทด สมดุลประจุของระบบจะถูกรักษาไว้โดยการเคลื่อนที่ของไอออนภายในเซลล์ โดยปกติจะผ่านเมมเบรนไอออนิก MFC ส่วนใหญ่ใช้สารให้กำเนิดอิเล็กตรอน อินทรีย์ ที่ถูกออกซิไดซ์เพื่อผลิต CO2 _{โปรตอน}และอิเล็กตรอน มีการรายงานสารให้กำเนิดอิเล็กตรอนอื่นๆ เช่น สารประกอบซัลเฟอร์หรือไฮโดรเจน^{[ 13 ]}ปฏิกิริยาแคโทดใช้ตัวรับอิเล็กตรอนที่หลากหลาย ส่วนใหญ่มักเป็นออกซิเจน ( _O2 ) ตัวรับอิเล็กตรอนอื่นๆ ที่ได้รับการศึกษา ได้แก่ การกู้คืนโลหะโดยการรีดิวซ์^{[ 14 ]} การเปลี่ยน น้ำเป็นไฮโดรเจน^{[ 15 ]}การรีดิวซ์ไนเตรต^{[ 16 ] [ 17 ]}และการรีดิวซ์ซัลเฟต

MFCs น่าสนใจสำหรับการใช้งานผลิตพลังงานที่ต้องการพลังงานต่ำ แต่การเปลี่ยนแบตเตอรี่อาจทำได้ยาก เช่นเครือข่ายเซ็นเซอร์ไร้สาย^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]}เซ็นเซอร์ ไร้สายที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์สามารถใช้สำหรับการตรวจสอบระยะไกล (การอนุรักษ์) ได้ ^{[ 21 ]}

วัสดุอินทรีย์แทบทุกชนิดสามารถนำมาใช้เป็นเชื้อเพลิงให้กับเซลล์เชื้อเพลิงได้ รวมถึงการเชื่อมต่อเซลล์เข้ากับโรงบำบัดน้ำเสีย น้ำเสียจากกระบวนการทางเคมี^{[ 22 ] [ 23 ]}และน้ำเสียสังเคราะห์^{[ 24 ] [ 25 ]}ถูกนำมาใช้ในการผลิตไฟฟ้าชีวภาพใน MFC แบบไม่มีตัวกลางแบบสองห้องและห้องเดียว (อิเล็กโทรดกราไฟต์ที่ไม่ได้เคลือบ)

พบว่าการผลิตพลังงานที่สูงขึ้นเกิดขึ้นจากการใช้แอโนดกรา ไฟ ต์ที่ปกคลุม ด้วย ไบโอฟิล์ม^{[ 26 ] [ 27 ]}การปล่อยมลพิษของเซลล์เชื้อเพลิงอยู่ในระดับต่ำกว่าขีดจำกัดตามกฎระเบียบ^{[ 28 ]} MFC แปลงพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์สันดาปภายใน มาตรฐาน ซึ่งถูกจำกัดด้วยประสิทธิภาพของคาร์โนต์ในทางทฤษฎี MFC สามารถมีประสิทธิภาพด้านพลังงานสูงกว่า 50% มาก^{[ 29 ]} Rozendal ผลิตไฮโดรเจนโดยใช้พลังงานน้อยกว่าเทคโนโลยีการผลิตไฮโดรเจนแบบดั้งเดิมถึง 8 เท่า

นอกจากนี้ MFC ยังสามารถทำงานในระดับที่เล็กกว่าได้อีกด้วย ในบางกรณี อิเล็กโทรดจำเป็นต้องมีความหนาเพียง 7 ไมโครเมตรและยาว 2 เซนติเมตร^{[ 30 ]}ทำให้ MFC สามารถใช้แทนแบตเตอรี่ได้ โดยให้พลังงานหมุนเวียนและไม่จำเป็นต้องชาร์จใหม่

MFC ทำงานได้ดีในสภาวะที่ไม่รุนแรง คือ 20 °C ถึง 40 °C และที่ค่า pHประมาณ 7 ^{[ 31 ]}แต่ขาดความเสถียรที่จำเป็นสำหรับการใช้งานทางการแพทย์ในระยะยาว เช่น ใน เครื่อง กระตุ้น หัวใจ

สถานีผลิตไฟฟ้าสามารถใช้พืชน้ำ เช่น สาหร่ายเป็นพื้นฐานได้ หากตั้งอยู่ติดกับระบบไฟฟ้าที่มีอยู่ ระบบ MFC สามารถใช้สายส่งไฟฟ้าร่วมกันได้^{[ 32 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในดินทำหน้าที่เป็นเครื่องมือทางการศึกษา เนื่องจากครอบคลุมสาขาวิทยาศาสตร์หลายสาขา (จุลชีววิทยา ธรณีเคมี วิศวกรรมไฟฟ้า ฯลฯ) และสามารถสร้างได้โดยใช้วัสดุที่หาได้ทั่วไป เช่น ดินและสิ่งของจากตู้เย็น มีชุดอุปกรณ์สำหรับโครงงานวิทยาศาสตร์ที่บ้านและห้องเรียน^{[ 33 ]}ตัวอย่างหนึ่งของการใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในห้องเรียนคือในหลักสูตร IBET (ชีววิทยา ภาษาอังกฤษ และเทคโนโลยีแบบบูรณาการ) สำหรับโรงเรียนมัธยม Thomas Jefferson High School for Science and Technologyนอกจากนี้ยังมีวิดีโอและบทความทางการศึกษาหลายรายการใน International Society for Microbial Electrochemistry and Technology (ISMET Society) ^{[ 34 ]}

กระแสไฟฟ้าที่สร้างขึ้นจากเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เป็นสัดส่วนโดยตรงกับปริมาณสารอินทรีย์ในน้ำเสียที่ใช้เป็นเชื้อเพลิง MFC สามารถวัดความเข้มข้นของสารละลายในน้ำเสียได้ (เช่น เป็นไบโอเซนเซอร์ ) ^{[ 35 ]}

โดยทั่วไปแล้ว น้ำเสียจะถูกประเมินจาก ค่า ความต้องการออกซิเจนทางชีวเคมี (BOD) ค่า BOD จะถูกกำหนดโดยการบ่มตัวอย่างเป็นเวลา 5 วันกับแหล่งจุลินทรีย์ที่เหมาะสม ซึ่งโดยปกติจะเป็นตะกอนจุลินทรีย์ที่เก็บรวบรวมจากโรงบำบัดน้ำเสีย

เซนเซอร์ BOD ชนิด MFC สามารถให้ค่า BOD แบบเรียลไทม์ได้ ออกซิเจนและไนเตรตเป็นตัวรับอิเล็กตรอนที่ต้องการรบกวนเหนือแอโนด ทำให้การสร้างกระแสไฟฟ้าจาก MFC ลดลง ดังนั้นเซนเซอร์ BOD ชนิด MFC จึงประเมินค่า BOD ต่ำกว่าความเป็นจริงเมื่อมีตัวรับอิเล็กตรอนเหล่านี้อยู่ สามารถหลีกเลี่ยงปัญหานี้ได้โดยการยับยั้งการหายใจแบบใช้ออกซิเจนและไนเตรตใน MFC โดยใช้สารยับยั้งออกซิเดสปลายทาง เช่นไซยาไนด์และอะไซด์ [ ^{36 ] เซนเซอร์} BOD ดังกล่าวมีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์

กองทัพเรือสหรัฐฯกำลังพิจารณาใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์สำหรับเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อม การใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เพื่อจ่ายพลังงานให้กับเซ็นเซอร์สิ่งแวดล้อมสามารถให้พลังงานได้นานขึ้นและช่วยให้สามารถรวบรวมและดึงข้อมูลใต้น้ำได้โดยไม่ต้องใช้โครงสร้างพื้นฐานแบบมีสาย พลังงานที่สร้างขึ้นโดยเซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้เพียงพอที่จะรักษาเซ็นเซอร์ไว้ได้หลังจากเวลาเริ่มต้นใช้งานครั้งแรก^{[ 37 ]}เนื่องจากสภาพใต้น้ำ (ความเข้มข้นของเกลือสูง อุณหภูมิผันผวน และปริมาณสารอาหารที่จำกัด) กองทัพเรืออาจใช้ MFC ที่มีส่วนผสมของจุลินทรีย์ที่ทนต่อเกลือ ซึ่งจะช่วยให้สามารถใช้สารอาหารที่มีอยู่ได้อย่างสมบูรณ์มากขึ้นShewanella oneidensisเป็นตัวเลือกหลัก แต่Shewanella spp อื่นๆ ที่ทนต่อความร้อนและความเย็น ก็อาจถูกรวมไว้ด้วย^{[ 38 ]}

ไบโอเซนเซอร์ BOD/COD ตัวแรกที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองและเป็นอิสระได้รับการพัฒนาขึ้นและช่วยให้สามารถตรวจจับสารปนเปื้อนอินทรีย์ในน้ำจืดได้ เซนเซอร์นี้อาศัยพลังงานที่ผลิตโดย MFC เท่านั้นและทำงานอย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องบำรุงรักษา มันจะเปิดสัญญาณเตือนเพื่อแจ้งเกี่ยวกับระดับการปนเปื้อน: ความถี่ของสัญญาณที่เพิ่มขึ้นจะเตือนเกี่ยวกับระดับการปนเปื้อนที่สูงขึ้น ในขณะที่ความถี่ต่ำจะแจ้งเกี่ยวกับระดับการปนเปื้อนที่ต่ำ^{[ 39 ]}

ในปี 2010 A. ter Heijne และคณะ^{[ 40 ]}ได้สร้างอุปกรณ์ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าและลดไอออน Cu ²⁺ให้เป็นโลหะทองแดงได้

เซลล์อิเล็กโทรไลซิสจุลินทรีย์ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถผลิตไฮโดรเจนได้^{[ 41 ]}

MFC ถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำเพื่อเก็บเกี่ยวพลังงานโดยใช้การย่อยสลายแบบไม่ใช้ออกซิเจนกระบวนการนี้ยังสามารถลดเชื้อโรคได้ อย่างไรก็ตาม ต้องใช้อุณหภูมิสูงกว่า 30 องศาเซลเซียส และต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่อแปลงก๊าซชีวภาพเป็นไฟฟ้า ตัวเว้นระยะแบบเกลียวอาจใช้เพื่อเพิ่มการผลิตไฟฟ้าโดยการสร้างการไหลแบบเกลียวใน MFC การขยายขนาด MFC เป็นความท้าทายเนื่องจากความท้าทายด้านกำลังไฟฟ้าที่ได้จากพื้นที่ผิวที่ใหญ่ขึ้น^{[ 42 ]}

เซลล์จุลินทรีย์ส่วนใหญ่ไม่มีกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี การถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากเซลล์จุลินทรีย์ไปยังอิเล็กโทรดได้รับการอำนวยความสะดวกโดยตัวกลาง เช่นไทโอนีนไพโอไซยานิน^[ 43 ^{] เมทิล}ไวโอโลเจนเมทิลบลูกรดฮิวมิกและนิวทรัลเรด [ ^{44 ] [ 45 ] ตัวกลาง}ที่มีอยู่ส่วนใหญ่มีราคาแพงและเป็นพิษ

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบไม่มีตัวกลางใช้แบคทีเรียที่มีกิจกรรมทางไฟฟ้าเคมี เช่นShewanella putrefaciens ^{[ 46 ]}และAeromonas hydrophila ^{[ 47 ]}เพื่อถ่ายโอนอิเล็กตรอนโดยตรงจากเอนไซม์การหายใจของแบคทีเรียไปยังอิเล็กโทรด แบคทีเรียบางชนิดสามารถถ่ายโอนการผลิตอิเล็กตรอนผ่านทางพิลิบนเยื่อหุ้มภายนอกของพวกมันได้ เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบไม่มีตัวกลางยังไม่ได้รับการระบุลักษณะอย่างชัดเจน เช่นสายพันธุ์ของแบคทีเรียที่ใช้ในระบบ ชนิดของเยื่อแลกเปลี่ยนไอออนและสภาวะของระบบ (อุณหภูมิ pH เป็นต้น)

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบไม่มีตัวกลางสามารถทำงานได้ด้วยน้ำเสียและดึงพลังงานโดยตรงจากพืชบางชนิดและ O2 _การกำหนดค่านี้เรียกว่าเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์จากพืช พืชที่เป็นไปได้ ได้แก่หญ้ากกหญ้าคอร์ดกราสข้าว มะเขือเทศลูปินและสาหร่าย^{[ 48 ] [ 49 ] [ 50 ]}เนื่องจากพลังงานได้มาจากการใช้พืชที่มีชีวิต ( การผลิตพลังงาน ในแหล่งกำเนิด ) รูปแบบนี้จึงสามารถให้ข้อได้เปรียบทางนิเวศวิทยา ได้

รูปแบบหนึ่งของ MFC ที่ไม่มีตัวกลางคือเซลล์อิเล็กโทรไลซิสจุลินทรีย์ (MEC) ในขณะที่ MFC ผลิตกระแสไฟฟ้าโดยการย่อยสลายสารประกอบอินทรีย์ในน้ำโดยแบคทีเรีย MEC จะกลับกระบวนการบางส่วนเพื่อสร้างไฮโดรเจนหรือมีเทนโดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับแบคทีเรีย ซึ่งจะเสริมแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากการย่อยสลายสารอินทรีย์โดยจุลินทรีย์ ทำให้เกิดการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าหรือการผลิตมีเทน^{[ 51 ] [ 52 ]}การกลับหลักการของ MFC อย่างสมบูรณ์พบได้ในการสังเคราะห์ด้วยไฟฟ้าของจุลินทรีย์ซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกลดลงโดยแบคทีเรียโดยใช้กระแสไฟฟ้าภายนอกเพื่อสร้างสารประกอบอินทรีย์ที่มีคาร์บอนหลายอะตอม^{[ 53 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ใน ดินยึดหลักการพื้นฐานของ MFC (Microbial Fuel Cell) โดยที่ดินทำหน้าที่เป็นตัวกลางแอโนดที่อุดมไปด้วยสารอาหาร ตัวเริ่มต้นการเจริญเติ้งโตและเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน (PEM) แอโนดจะถูกวางไว้ที่ระดับความลึกที่กำหนดในดิน ในขณะที่แคโทดวางอยู่บนผิวดินและสัมผัสกับอากาศ

โดยธรรมชาติแล้วดินเต็มไปด้วยจุลินทรีย์หลากหลายชนิดรวมถึงแบคทีเรียที่สร้างกระแสไฟฟ้าซึ่งจำเป็นสำหรับ MFC และเต็มไปด้วยน้ำตาลเชิงซ้อนและสารอาหารอื่นๆ ที่สะสมมาจากการเน่าเปื่อยของพืชและสัตว์ นอกจากนี้ จุลินทรีย์ แอโรบิก (ที่บริโภคออกซิเจน) ที่มีอยู่ในดินยังทำหน้าที่เป็นตัวกรองออกซิเจน เช่นเดียวกับวัสดุ PEM ราคาแพงที่ใช้ในระบบ MFC ในห้องปฏิบัติการ ซึ่งทำให้ ศักยภาพ รีดอกซ์ของดินลดลงเมื่อความลึกมากขึ้น MFC ที่ใช้ดินเป็นฐานกำลังกลายเป็นเครื่องมือทางการศึกษาที่ได้รับความนิยมในห้องเรียนวิทยาศาสตร์^{[ 33 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ตะกอน (SMFCs) ได้ถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำเสีย SMFCs แบบง่ายสามารถสร้างพลังงานไปพร้อมกับการกำจัดสิ่งปนเปื้อนในน้ำเสียได้ SMFCs ส่วนใหญ่ประกอบด้วยพืชเพื่อเลียนแบบพื้นที่ชุ่มน้ำที่สร้างขึ้น ในปี 2558 การทดสอบ SMFCs มีปริมาณมากกว่า 150 ลิตร^{[ 54 ]}

ในปี 2015 นักวิจัยได้ประกาศการประยุกต์ใช้ SMFC ที่สกัดพลังงานและชาร์จแบตเตอรี่เกลือจะแตกตัวเป็นไอออนที่มีประจุบวกและลบในน้ำ และเคลื่อนที่และยึดเกาะกับขั้วลบและขั้วบวกตามลำดับ ทำให้สามารถชาร์จแบตเตอรี่และทำให้สามารถกำจัดเกลือได้ ซึ่งส่งผลต่อการแยก เกลือออกจาก น้ำโดยใช้จุลินทรีย์ จุลินทรีย์ผลิตพลังงานได้มากกว่าที่จำเป็นสำหรับกระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ^{[ 55 ]}ในปี 2020 โครงการวิจัยของยุโรปประสบความสำเร็จในการบำบัดน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืดสำหรับบริโภคของมนุษย์ โดยใช้พลังงานประมาณ 0.5 kWh/m3 ซึ่งแสดงถึงการลดการใช้พลังงานในปัจจุบันลง 85% เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการแยกเกลือออกจากน้ำที่ทันสมัยที่สุด นอกจากนี้ กระบวนการทางชีวภาพที่ได้พลังงานมานั้นยังช่วยทำให้น้ำเสียบริสุทธิ์ไปพร้อมกันเพื่อปล่อยลงสู่สิ่งแวดล้อมหรือนำกลับมาใช้ใหม่ในภาคเกษตรกรรม/อุตสาหกรรม ซึ่งประสบความสำเร็จในศูนย์นวัตกรรมการแยกเกลือออกจากน้ำที่ Aqualia เปิดในเมืองเดเนีย ประเทศสเปน ในช่วงต้นปี 2020 ^{[ 56 ]}

MFCs ไบโอฟิล์มแบบสังเคราะห์แสง (ner) ใช้ แอโนด ไบโอฟิล์ม แบบสังเคราะห์ แสงที่มีจุลินทรีย์สังเคราะห์แสง เช่นคลอโรไฟตาและแคนดียาโนไฟตาพวกมันทำการสังเคราะห์แสงและผลิตสารเมตาบอไลต์อินทรีย์และบริจาคอิเล็กตรอน^{[ 57 ]}

การศึกษาหนึ่งพบว่า PBMFC แสดงความหนาแน่นของพลังงานที่เพียงพอสำหรับการใช้งานจริง^{[ 58 ]}

MFC ประเภทย่อยที่ใช้สารสังเคราะห์แสงออกซิเจนบริสุทธิ์ที่ขั้วแอโนดบางครั้งเรียกว่าระบบโฟโตโวลตาอิกชีวภาพ^{[ 59 ]}

ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพเรือสหรัฐฯได้ พัฒนาเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เม มเบรนนาโนพรุนที่ใช้เมมเบรนที่ไม่ใช่ PEM เพื่อสร้างการแพร่แบบพาสซีฟภายในเซลล์^{[ 60 ]}เมมเบรนดังกล่าวเป็นตัวกรองพอลิเมอร์ที่ไม่พรุน ( ไนลอนเซลลูโลสหรือโพลีคาร์บอเนต ) ซึ่งให้ความหนาแน่นของพลังงานที่เทียบเท่ากับNafion (PEM ที่รู้จักกันดี) พร้อมความทนทานที่มากกว่า เมมเบรนพรุนช่วยให้เกิดการแพร่แบบพาสซีฟ จึงช่วยลดพลังงานที่จำเป็นในการจ่ายให้กับ MFC เพื่อให้ PEM ทำงานอยู่ และเพิ่มผลผลิตพลังงานโดยรวม^{[ 61 ]}

MFC ที่ไม่ใช้เมมเบรนสามารถใช้แบคทีเรียแบบไม่ใช้ออกซิเจนในสภาพแวดล้อมแบบใช้ออกซิเจนได้ อย่างไรก็ตาม MFC ที่ไม่มีเมมเบรนจะประสบปัญหาการปนเปื้อนของแคโทดจากแบคทีเรียดั้งเดิมและจุลินทรีย์ที่จ่ายพลังงาน การแพร่แบบพาสซีฟของเมมเบรนนาโนพรุนแบบใหม่สามารถบรรลุประโยชน์ของ MFC ที่ไม่มีเมมเบรนโดยไม่ต้องกังวลเรื่องการปนเปื้อนของแคโทด นอกจากนี้เมมเบรนนาโนพรุนยังมีราคาถูกกว่า Nafion ถึง 11 เท่า (Nafion-117 ราคา 0.22 ดอลลาร์/ตร.ซม. ^{เทียบ}กับโพลีคาร์บอเนต ราคาต่ำกว่า 0.02 ดอลลาร์/ ^{ตร.ซม.} ) ^{[ 62 ]}

เมมเบรน PEM สามารถแทนที่ด้วยวัสดุเซรามิกได้ ต้นทุน ของเมมเบรนเซรามิกอาจต่ำเพียง 5.66 ดอลลาร์สหรัฐต่อตาราง^เมตรโครงสร้างมาโครพอรัสของเมมเบรนเซรามิกช่วยให้การขนส่งไอออนเป็นไปอย่างดี^{[ 63 ]}

วัสดุที่ถูกนำมาใช้ใน MFC เซรามิกได้สำเร็จ ได้แก่เครื่องปั้นดินเผาอลูมินา มัลไลต์ไพโรฟิลไลต์และเทอร์ราคอตตา^{[ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]}

เมื่อจุลินทรีย์บริโภคสารเช่นน้ำตาลในสภาวะที่มีออกซิเจน พวกมันจะผลิตคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำอย่างไรก็ตาม เมื่อไม่มีออกซิเจน พวกมันอาจผลิตคาร์บอนไดออกไซด์ ไฮดรอน ( ไอออนไฮโดรเจน ) และอิเล็กตรอนดังที่อธิบายไว้ด้านล่างสำหรับซูโครส : ^{[ 66 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ใช้ ตัวกลางอ นินทรีย์เพื่อดึง อิเล็กตรอนจาก ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ของเซลล์และส่งผ่านอิเล็กตรอนที่ผลิตได้ ตัวกลางนี้จะผ่าน เยื่อไขมันชั้นนอกของเซลล์และเยื่อหุ้มชั้นนอกของแบคทีเรียจากนั้นจะเริ่มปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งโดยปกติจะถูกดูดซับโดยออกซิเจนหรือสารตัวกลางอื่นๆ

ตัวกลางที่ถูกรีดิวซ์แล้วจะออกจากเซลล์พร้อมกับอิเล็กตรอนจำนวนมาก ซึ่งมันจะถ่ายโอนไปยังขั้วไฟฟ้า ขั้วไฟฟ้านี้จะกลายเป็นแอโนด การปล่อยอิเล็กตรอนจะนำตัวกลางกลับคืนสู่สถานะออกซิไดซ์เดิม พร้อมที่จะทำซ้ำกระบวนการนี้ ซึ่งจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในสภาวะที่ปราศจากออกซิเจนเท่านั้นหากมีออกซิเจนอยู่ ออกซิเจนจะดักจับอิเล็กตรอน เนื่องจากมีพลังงานอิสระที่จะปล่อยออกมามากกว่า

แบคทีเรียบางชนิดสามารถหลีกเลี่ยงการใช้ตัวกลางอนินทรีย์ได้โดยใช้เส้นทางการขนส่งอิเล็กตรอนพิเศษที่เรียกว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนภายนอกเซลล์ (EET)เส้นทาง EET ช่วยให้จุลินทรีย์สามารถลดสารประกอบภายนอกเซลล์ได้โดยตรง และสามารถใช้เพื่อเปิดใช้งานการสื่อสารทางเคมีไฟฟ้าโดยตรงกับขั้วบวก^{[ 67 ]}

ในการทำงานของ MFC แอโนดเป็นตัวรับอิเล็กตรอนขั้นสุดท้ายที่แบคทีเรียในห้องแอโนดรู้จัก ดังนั้นกิจกรรมของจุลินทรีย์จึงขึ้นอยู่กับศักยภาพรีดอกซ์ของแอโนดอย่างมาก เส้นโค้ง Michaelis–Mentenได้รับระหว่างศักยภาพแอโนดและกำลังเอาต์พุตของ MFC ที่ขับเคลื่อนด้วย อะซิเตตศักยภาพแอโนดวิกฤตดูเหมือนจะให้กำลังเอาต์พุตสูงสุด^{[ 68 ]}

สารสื่อกลางที่เป็นไปได้ ได้แก่ สีแดงธรรมชาติ เมทิลีนบลู ไทโอนีน และรีโซรูฟิน^{[ 69 ]}

สิ่งมีชีวิตที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าได้เรียกว่าเอ็กโซอิเล็กโทรเจน (Exoelectrogens ) ในการเปลี่ยนกระแสไฟฟ้านี้ให้เป็นพลังงานไฟฟ้าที่ใช้งานได้ เอ็กโซอิเล็กโทรเจนจะต้องถูกเลี้ยงไว้ในเซลล์เชื้อเพลิง

สารตัวกลางและจุลินทรีย์ เช่น ยีสต์ จะถูกผสมเข้าด้วยกันในสารละลายที่เติมสารตั้งต้น เช่นกลูโคสส่วนผสมนี้จะถูกวางไว้ในห้องปิดผนึกเพื่อป้องกันไม่ให้ออกซิเจนเข้าไป ทำให้จุลินทรีย์ต้องหายใจแบบไม่ใช้ออกซิเจน จากนั้นจึง วางอิเล็กโทรดลงในสารละลายเพื่อทำหน้าที่เป็นขั้วบวก

ในห้องที่สองของ MFC มีสารละลายอีกชนิดหนึ่งและแคโทดที่มีประจุบวก มันเปรียบเสมือนแหล่งรับออกซิเจนที่ปลายสุดของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งอยู่นอกเซลล์ชีวภาพ สารละลายนี้เป็นสารออกซิไดซ์ที่รับอิเล็กตรอนที่แคโทด เช่นเดียวกับห่วงโซ่อิเล็กตรอนในเซลล์ยีสต์ สารนี้อาจเป็นโมเลกุลได้หลากหลายชนิด เช่น ออกซิเจน อย่างไรก็ตาม สารออกซิไดซ์ที่เป็นของแข็งเป็นตัวเลือกที่สะดวกกว่า เนื่องจากใช้ปริมาตรน้อยกว่า

ขั้วไฟฟ้าทั้งสองเชื่อมต่อกันด้วยสายไฟ (หรือเส้นทางนำไฟฟ้าอื่นๆ) ส่วนประกอบที่ทำให้วงจรสมบูรณ์และเชื่อมต่อห้องทั้งสองเข้าด้วยกันคือสะพานเกลือหรือเยื่อแลกเปลี่ยนไอออน คุณสมบัติสุดท้ายนี้ช่วยให้โปรตอนที่เกิดขึ้นตามที่อธิบายไว้ในสมการที่ 1สามารถผ่านจากห้องแอโนดไปยังห้องแคโทด ได้

ตัวกลางที่ถูกรีดิวซ์จะนำอิเล็กตรอนจากเซลล์ไปยังอิเล็กโทรด ที่นี่ตัวกลางจะถูกออกซิไดซ์ขณะที่มันรับอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนเหล่านี้จะไหลผ่านสายไฟไปยังอิเล็กโทรดที่สอง ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอน จากนั้นพวกมันจะผ่านไปยังวัสดุออกซิไดซ์ นอกจากนี้ ไอออนไฮโดรเจน/โปรตอนจะถูกเคลื่อนย้ายจากแอโนดไปยังแคโทดผ่านเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน เช่นนาฟิออนพวกมันจะเคลื่อนที่ไปยังบริเวณที่มีความเข้มข้นต่ำกว่าและรวมกับออกซิเจน แต่ในการทำเช่นนั้นพวกมันต้องการอิเล็กตรอน กระบวนการนี้จะสร้างกระแสไฟฟ้าและไฮโดรเจนจะถูกใช้เพื่อรักษาระดับความเข้มข้น

พบว่าชีวมวลสาหร่ายให้พลังงานสูงเมื่อใช้เป็นสารตั้งต้นในเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์^{[ 70 ]}

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFCs) ได้กลายเป็นเครื่องมือที่มีศักยภาพสำหรับการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม เนื่องจากความสามารถเฉพาะตัวในการใช้กิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์เพื่อทั้งการผลิตไฟฟ้าและการย่อยสลายสารมลพิษ^{[ 71 ]} MFCs มีการใช้งานในบริบทที่หลากหลายในการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม การใช้งานหลักอย่างหนึ่งคือการฟื้นฟูทางชีวภาพ ซึ่งจุลินทรีย์ที่ออกฤทธิ์ทางไฟฟ้าบนขั้วบวกของ MFC มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการย่อยสลายสารมลพิษอินทรีย์ ซึ่งเป็นวิธีการกำจัดมลพิษที่ยั่งยืนและมีประสิทธิภาพ นอกจากนี้ MFCs ยังมีบทบาทสำคัญในการบำบัดน้ำเสียโดยการผลิตไฟฟ้าและปรับปรุงคุณภาพน้ำไปพร้อมกันผ่านการย่อยสลายสารปนเปื้อนโดยจุลินทรีย์ เซลล์เชื้อเพลิงเหล่านี้สามารถติดตั้งในสถานที่ได้ ทำให้สามารถฟื้นฟูอย่างต่อเนื่องและเป็นอิสระในพื้นที่ปนเปื้อน ยิ่งไปกว่านั้น ความสามารถรอบด้านของพวกมันยังขยายไปถึงเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในตะกอน (SMFCs) ซึ่งสามารถกำจัดโลหะหนักและสารอาหารออกจากตะกอนได้^{[ 72 ]}ด้วยการบูรณาการ MFCs กับเซ็นเซอร์ พวกมันจึงช่วยให้สามารถตรวจสอบสิ่งแวดล้อมจากระยะไกลในสถานที่ที่ท้าทายได้ การประยุกต์ใช้เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ในการฟื้นฟูสิ่งแวดล้อมเน้นให้เห็นถึงศักยภาพในการเปลี่ยนสารมลพิษให้เป็นแหล่งพลังงานหมุนเวียน พร้อมทั้งมีส่วนช่วยในการฟื้นฟูและอนุรักษ์ระบบนิเวศอย่างแข็งขัน

เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFCs) มีศักยภาพที่สำคัญในฐานะเทคโนโลยีที่ยั่งยืนและนวัตกรรม แต่ก็ไม่ได้ปราศจากความท้าทาย อุปสรรคสำคัญประการหนึ่งอยู่ที่การเพิ่มประสิทธิภาพของ MFC ซึ่งยังคงเป็นงานที่ซับซ้อนเนื่องจากปัจจัยต่างๆ รวมถึงความหลากหลายของจุลินทรีย์ วัสดุอิเล็กโทรด และการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์^{[ 73 ]}การพัฒนาวัสดุอิเล็กโทรดที่คุ้มค่าและใช้งานได้ยาวนานเป็นอุปสรรคอีกประการหนึ่ง เนื่องจากส่งผลโดยตรงต่อความคุ้มค่าทางเศรษฐกิจของ MFC ในวงกว้าง นอกจากนี้ การขยายขนาดของ MFC สำหรับการใช้งานจริงก่อให้เกิดความท้าทายด้านวิศวกรรมและโลจิสติกส์ อย่างไรก็ตาม การวิจัยอย่างต่อเนื่องในเทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ยังคงแก้ไขอุปสรรคเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์กำลังสำรวจวัสดุอิเล็กโทรดใหม่ๆ อย่างแข็งขัน เพิ่มประสิทธิภาพของชุมชนจุลินทรีย์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพ และเพิ่มประสิทธิภาพการกำหนดค่าเครื่องปฏิกรณ์ ยิ่งไปกว่านั้น ความก้าวหน้าในด้านชีววิทยาสังเคราะห์และวิศวกรรมพันธุกรรมได้เปิดโอกาสสำหรับการออกแบบจุลินทรีย์แบบกำหนดเองที่มีความสามารถในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่เพิ่มขึ้น ซึ่งผลักดันขอบเขตของประสิทธิภาพของ MFC ^{[ 74 ]}ความพยายามร่วมมือกันระหว่างสาขาวิชาสหวิทยาการยังช่วยให้เข้าใจกลไกของ MFC ได้อย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้น และขยายการประยุกต์ใช้ที่มีศักยภาพในด้านต่างๆ เช่น การบำบัดน้ำเสีย การฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม และการผลิตพลังงานอย่างยั่งยืน

• นาโนไวร์แบคทีเรีย
• แบตเตอรี่ชีวภาพ
• แบคทีเรียสายเคเบิล
• การหมักสีเข้ม
• อิเล็กโตรไฮโดรเจเนซิส
• กระบวนการสร้างมีเทนด้วยไฟฟ้า
• การผลิตไฮโดรเจนโดยกระบวนการหมัก
• คำศัพท์เฉพาะทางด้านเซลล์เชื้อเพลิง
• สมมติฐานไฮโดรเจน
• เทคโนโลยีไฮโดรเจน
• การหมักด้วยแสง

• Rabaey, Korneel; Rodríguez, Jorge; Blackall, Linda L ; Keller, Jurg; Gross, Pamela; Batstone, Damien; Verstraete, Willy; Nealson, Kenneth H (2007). "นิเวศวิทยาของจุลินทรีย์พบกับเคมีไฟฟ้า: ชุมชนที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า"วารสารISME . 1 (1): 9– 18. Bibcode : 2007ISMEJ...1....9R . doi : 10.1038/ismej.2007.4 . PMID  18043609 .
• Pant, Deepak; Van Bogaert, Gilbert; Diels, Ludo; Vanbroekhoven, Karolien (2010). "การทบทวนสารตั้งต้นที่ใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์ (MFCs) สำหรับการผลิตพลังงานอย่างยั่งยืน" Bioresource Technology . 101 (6): 1533– 43. Bibcode : 2010BiTec.101.1533P . doi : 10.1016/j.biortech.2009.10.017 . PMID  19892549 .

• ชุดอุปกรณ์ DIY MFC
• เชื้อเพลิงชีวภาพจากสาหร่ายขนาดเล็ก
• การผลิตไบโอไฮโดรเจนอย่างยั่งยืนและมีประสิทธิภาพผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไฮโดรจีเนชัน – พฤศจิกายน 2550
• บล็อกเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์บล็อกเชิงวิจัยเกี่ยวกับเทคนิคทั่วไปที่ใช้ในการวิจัย MFC
• เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์เว็บไซต์นี้เกิดขึ้นจากกลุ่มวิจัยบางส่วนที่กำลังดำเนินงานวิจัยด้านเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์อยู่ในปัจจุบัน
• เซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์จาก Rhodopherax Ferrireducensภาพรวมจากวารสาร Science Creative Quarterly
• การสร้างเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์แบบสองห้อง
• กลุ่มสนทนาเกี่ยวกับเซลล์เชื้อเพลิงจุลินทรีย์
• บริษัทนวัตกรรมผู้พัฒนาเทคโนโลยี MFC