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La prossima generazione di celle a combustibile microbiche

Le celle a combustibile microbiche sono una tecnologia promettente per generare elettricità dai materiali di rifiuto organici. Un team di investigatori europei ha deciso di migliorare le celle a combustibile microbiche attraverso tecnologie innovative.
La prossima generazione di celle a combustibile microbiche
I batteri collocati in un ambiente anaerobico producono elettroni che possono essere sfruttati per generare elettricità. Le celle a combustibile microbiche sfruttano la respirazione anaerobica dei batteri per produrre elettricità, che è direttamente proporzionale al tasso di crescita e al metabolismo dei microbi.

Ottimizzare le comunità batteriche con differenti materie prime affinché diventino più efficienti al trasferimento di elettroni migliorerà in definitiva le celle a combustibile microbiche. Per raggiungere questo obiettivo, gli scienziati del progetto EVOBLISS, finanziato dall’UE, hanno sviluppato una piattaforma robotica in grado di ottimizzare il sistema a base di liquidi utilizzando l’evoluzione artificiale. «Il nostro obiettivo finale era quello di eseguire una scienza fondamentale che ci aiutasse a capire l’evoluzione batterica ai fini sia del trattamento sia dell’utilizzo delle acque reflue per generare energia», spiega il coordinatore scientifico del progetto, il professor Kasper Stoy.

EVOBLISS era un progetto interdisciplinare che coinvolgeva chimica, immaginografia, microbiologia e bioenergia d’avanguardia. Ciò era necessario per migliorare la comprensione delle tecnologie esistenti e delle modalità di progettazione e sfruttamento migliori dei sistemi bio-ibridi innovativi.

Celle a combustibile microbiche evolute e controllate da robot

In primo luogo, i ricercatori hanno automatizzato gli esperimenti attraverso lo sviluppo di una piattaforma robotica (EvoBot) che utilizza l’intelligenza artificiale sotto forma di evoluzione artificiale. L’idea era quella di usare l’evoluzione agevolata dai robot per progettare ecosistemi funzionali che combinassero organismi viventi con la chimica della vita artificiale in grado di aumentare la produzione di energia nelle celle a combustibile microbiche.

La piattaforma robot era basata su una stampante 3D open source convertita per gestire liquidi e in grado di tracciare i risultati degli esperimenti in tempo reale. Il funzionamento di EvoBot era possibile attraverso un’unità di controllo autonoma o in remoto attraverso una pagina web.

EvoBot eseguiva complesse ottimizzazioni utilizzando algoritmi evolutivi e aveva anche la capacità di intervenire negli esperimenti regolando vari parametri quali l’iniezione di nutrienti e la rimozione di prodotti metabolici. Scienziati della University of West of England (UWE) di Bristol (uno dei partner del consorzio) hanno approfondito varie condizioni ambientali per ottenere una crescita più rapida e il massimo trasferimento di potenza nelle celle a combustibile microbiche. EvoBot ha ottimizzato con successo la concentrazione del substrato del supporto in risposta al profilo della potenza di uscita delle celle a combustibile microbiche.

Utilizzando la tomografia ottica a radiazione coerente, una modalità di immaginografia in situ, i ricercatori sono stati in grado di monitorare per la prima volta l’interno delle celle a combustibile microbiche in esecuzione. Ciò ha fornito una conoscenza senza precedenti delle proprietà meccaniche e l’organizzazione del biofilm vivente, la forma dominante di vita microbica sulla Terra e anche la comunità microbica preferita all’interno delle celle a combustibile microbiche durante la produzione di energia.

In un’altra parte del progetto, i ricercatori dell’UWE hanno studiato diversi materiali per la costruzione di celle a combustibile microbiche. L’argilla secca costituiva un’alternativa promettente ed economicamente vantaggiosa alle membrane attualmente utilizzate, ampliando così le potenziali applicazioni delle celle a combustibile microbiche.

Migliore erogazione di energia elettrica

EvoBot è stato il primo robot ad applicare, monitorare e interagire con sistemi in evoluzione quali organismi viventi utilizzati per compiti specifici. Le colture microbiche coltivate da EvoBot hanno dimostrato prestazioni ottimizzate e si sono evolute per generare energia sufficiente ad alimentare un altro robot. È importante sottolineare che, utilizzando EvoBot, gli scienziati hanno osservato che l’alimentazione della cella a combustibile microbica UWE al momento giusto ha accelerato notevolmente la maturazione delle colture produttrici di energia, da quattro settimane a sei giorni.

La novità di avere un robot alimentato con una cella a combustibile microbica è stata sfruttata dai partner di EVOBLISS con la start-up aziendale di successo Flow Robotics. Inoltre, EVOBLISS è riuscito a distribuire celle a combustibile microbiche nei paesi in via di sviluppo con un aiuto significativo da parte della Fondazione Gates. Il Prof. Stoy immagina «l’applicazione del kit di strumenti di EVOBLISS ad altri problemi rilevanti della società al di fuori della produzione di energia».

Keywords

EVOBLISS, cella a combustibile microbica, EvoBot, robot, elettricità, tomografia ottica a radiazione coerente, stampante 3D