Microbiologische elektrochemische cel

Datum: December 2024

Inleiding:

Microbiologische activiteit als accu, interessant genoeg om zelf eens te proberen. 

Principe:

M.b.v. gist en suikers bouwen we een microbiologische batterij

Materiaal:

  • CMA CoachLab II Interface
  • Differential Voltage Probe (DVP-BTA)
  • Electrochemische cel (AliExpress)
  • PC met Excel en CoachLabSoftware (data analyse)
  • Gist
  • Fructose
  • Methyleenblauw oplossing (ca. 0.1 mol/l)
  • Vloei- of filtreerpapier
  • Roermotor/Verwarmingsplaat
  • Roerboon
  • Bekerglazen
  • Zout (NaCl)
  • Demi-water
  • IR thermometer
  • Kleine erlenmeyer
  • Reageerbuizen
  • Smartphone met camera
  • "Derde hand"
    Balans/Weegschaal



In dit experiment gebruiken we alleen maar het onderste bakje



 
 

Uitvoering:

Bekerglas test  
  • Suspendeer op een roermotor 1 g gedroogde gist in 15 ml demi-water in een bekerglas waaraan een roerboon is toegevoegd
  • Voeg 2 g glucose of sucrose toe en roer
  • Voeg 2-3 druppels methyleenblauwoplossing toe
  • Giet de oplossing over in een reageerbuis
  • Neem een foto
  • Noteer de tijd
  • Laat de suspensie staan zonder te roeren totdat een duidelijk kleurverschil waarneembaar is
  • Neem een foto
  • Noteer de tijd
  • Herhaal dit experiment met een verwarmingsplaat die op ca. 30 °C staat
  • Let erop dat dezelfde hoeveelheid methyleenblauwopl. wordt toegevoegd
  • Plaats de reageerbuis in een kleine erlenmeyer waarin water zit dat al op temperatuur gebracht is.

Microbiologische brandstofcel
  • Suspendeer 1.5 g gist in 25 ml demi-water in een bekerglas
  • Bereid 100 ml van een fructose  oplossing (10 wt%)
  • Neem wat filtreer of vloeipapier en knip dat in stroken. Dompel de strook in een zoutoplossing. Vouw de strook en plaats deze over de afscheiding in de elektrochemische cel zoals aangegeven in nevenstaande figuur
  • Voeg onder goed roeren 2.5 g suiker toe aan de gist suspensie
  • Vul een kant van de U-buis met gist suspensie en de ander kant met de fructose oplossing
  • Plaats de elektroden terug op de cel
  • Zorg ervoor dat de elektroden met de Coachlab verbonden zijn volgens nevenstaand schema
  • Start de Coachlabmeting onmiddellijk (1 meting per seconde gedurende 60 minuten)
 

Schroeven als elektrodes

 Spijkers als elektrodes

Resultaat:

Bekerglas test
Tijd: 14:20
Tijd: 14:51


Belletjes wijzen op gasvorming  (CO2)
 

Ontkleuring duidelijk waarneembaar in de verwarmde oplossing (rechter)
Tijd: 20:39
Dag later
Tijd: 17:24
 
Coachlab meting
In onderstaande screenshot van het CoachLab scherm zijn twee metingen weergegeven. In een geval (onderste lijn) zijn schroeven als elektrodes gebruikt, in het andere geval (bovenste lijn) spijkers.
De  meetgrafiek wordt vergroot weergegeven.
De spikes in de bovenste grafiek zijn een poging om met een multimeter de stroomsterkte te meten. De digitale multimeter gaf achter geen waarde aan en ik begrijp niet goed waarom.

Discussie:

Bekerglas test
De test laat zien dat methyleenblauw ontkleurd wordt hetgeen aangeeft dat elektronen vrijkomen door metabolische activiteiten van het gist. Methyleenblauw is een redox indicator  die door opname van elektronen van kleur veranderd, van blauw naar de kleurloze leuco vorm.
 
Coachlab meting
In de coachlab meting kunnen we duidelijk een spanningsverschil meten tussen beide elektrode, wederom een aanwijzing dat er elektronen getransporteerd worden.

De experimenten laten een groter potentiaalverschil zien als spijkers als elektroden gebruikt worden dan als de schroeven gebruikt worden. De schroeven zijn duidelijk grote dan de spijkers dus een groter oppervlak kan dit verschil niet verklaren. Een meer aannemelijke verklaring is dat de schroeven van een ander materiaal zijn. Terwijl de spijkers na het experiment snel gaan roesten (ijzer) is dat niet het geval voor de schroeven (staal of evt. verchroomd), een observatie die deze aanname ondersteund. De schroeven zijn dus duidelijk minder geschikt als elektrodemateriaal.

Een andere observatie die we kunnen maken is dat het grootste spanningsverschil dat we kunnen meten  ca. 300 mV is, terwijl de literatuur aangeeft dat we een redelijk constant spanningsverschil van ca. 400 mV kunnen verwachten (Grandrath et al). Dat verschil is mogelijk verklaarbaar door het gebruik van spijkers i.p.v. plaatjes, die een groter oppervlak hebben.
 

Een microbiële brandstofcel zoals we die hier gebouwd hebben is in feite een soort accu/batterij die wordt opgeladen door de activiteit van micro-organismen. Het potentiaalverschil dat we waarnemen wordt veroorzaakt door de metabolische activiteit van het gist in het anode deel van de cel. In dit experiment, bij een temperatuur van ca. 20 °C, meten we een potentiaalverschil van maximaal ca. 300 mV.  Naarmate de concentratie van het substraat en de pH in het anode deel verder afnemen, hetgeen een maat is voor de afname van de metabolische activiteit  van de gistcellen, daalt het gemeten Voltage.

De vereenvoudigde reactievergelijkingen voor de cel zijn:

Anode: C6H12O6 + 6H2O  -- gist -->  6CO2 + 24H+ + 24e-

Kathode: O2 + 24H+  -->  12H2O

Overall: C6H12O6 + O2  -- gist -->  6CO2  + 6H2O
Zuurstof is de elektronen acceptor in dit systeem.

Als we sucrose als substraat zouden gebruiken wordt dit eerst gesplitst in glucose en fructose die vervolgens geoxideerd worden. Dan zal het iets langer duren totdat een voltage gemeten wordt.
 

Conclusies:

  • M.b.v. gist en suikers kunne we een mcirobiologische accu bouwen.

Literatuur:
 
  • R. Grandrath, C. Bohrmann-Linde; "Simple biofuel cells: the superpower of bakers's yeast"; Science in School; 66 2024; p. 1-5.
  • T.H. Savory; Natuurkunde Thuis; Thieme; 2de druk; p. 25-30.
  • Dr. F. Freese, Dr. W.E. van der Linden; Elektrochemische Analysemethoden; Agon Elsevier; 1971; ISBN 9010102408.
  • Dr.J.Reiding; Drs.P.W.Franken,Drs.M.A.W.Kabel-van den Brand; Chemie Overal 5V; 1992; ISBN 9011010639; blz 175,176.
  • BINAS; 1977; Wolters Noordhoff; ISBN 900189354; blz. 80,100,101.
  • A. Morgan; Op Avontuur in de elektrochemie; Centrex; 1964.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Opmerkingen:

  • Eigenlijk kunnen we beter wat blikken plaatjes als elektrodes gebruiken. Ik kon echter geen blik vinden op het moment dat ik deze experimenten uitvoerde. Vandaar schroeven en spijkers.
  • De Coachlabfile: Result_20241229.cmr7

Achtergrondinformatie:

Om elektrodeprocessen te kunnen bestuderen gebruikt men een elektrochemische cel. Deze bestaat in zijn eenvoudigste vorm uit twee geleiders (elektroden) geplaatst in een vat gevuld met elektrolytoplossing. Bij stroomdoorgang door een dergelijke cel moeten aan de elektroden reacties plaatsvinden waarbij de lading in de vorm van elektronen of ionen het grensvlak elektrode/oplossing passeert. De elektrode waaraan oxidatie plaatsvindt wordt anode genoemd, de elektrode waaraan reductie plaatsvindt heet kathode.  Voor de anodische reactie kunnen we schrijven (e = elektron):
 
red1 ox1 + n e

Voor de kathodische reactie:

ox2 + m e red2

De bruto celreactie wordt dan:

m red1 + n ox2  m ox1 + n red2

Stroomdoorgang kan alleen plaatsvinden indien er een gesloten circuit bestaat. We moeten beide elektroden daarom uitwendig met elkaar verbinden. Levert een elektrochemische cel bij het tot stand komen van dit elektrisch contact spontaan stroom, dan spreken we van een galvanische cel. In dit geval wordt de chemische energie omgezet in elektrische energie (accu!). Indien daarentegen een uitwendige spanningsbron moet worden aangesloten om stroom door de cel te doen vloeien, dan spreken we van een elektrolytische cel. Hierbij wordt elektrische energie omgezet in chemische energie (accu opladen). De celreactie verschilt alleen daarin van een normale redoxreactie in oplossing, dat de elektronen nu niet direct van het ene deeltje op het nadere worden overgedragen maar via een uitwendig circuit.

 

29/12/2024