Microbial electrochemical technologies
માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ટેક્નોલોજીઓ (એમ. ઇ. ટી.) માઇક્રોઓર્ગેનિઝમ્સનો ઉપયોગ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉત્પ્રેરક તરીકે કરે છે, જે બાયોઇલેક્ટ્રિસિટી, બાયોફ્યુઅલ, એચ2 અને અન્ય મૂલ્યવાન રસાયણોના ઉત્પાદન માટે માઇક્રોબાયલ મેટાબોલિઝમને ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ પ્રક્રિયાઓ સાથે જોડે છે. માઇક્રોબાયલ ફ્યુઅલ સેલ્સ (એમ. એફ. સી.) અને માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોલિસિસ સેલ્સ (એમ. ઇ. સી.) એમ. ઇ. ટી. ના અગ્રણી ઉદાહરણો છે. જ્યારે એમ. એફ. સી. નો ઉપયોગ કાર્બનિક પદાર્થોમાંથી વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે થાય છે જે સામાન્ય રીતે ગંદાપાણીના ઉપચાર સાથે સંકળાયેલા હોય છે, ત્યારે એમ. ઇ. સી. એચ. 2 અથવા મિથેનના ઉત્પાદન જેવી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ ચલાવવા માટે વીજળીનો ઉપયોગ કરે છે. તાજેતરમાં, માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોસિંથેસિસ કોષો (એમ. ઇ. એસ.) પણ એક આશાસ્પદ એમ. ઇ. ટી. તરીકે ઉભરી આવ્યા છે, જ્યાં કેથોડ ડબ્બામાં મૂલ્યવાન રસાયણો ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. અન્ય MET ઉપયોગોમાં માઇક્રોબાયલ રિમેડિએશન સેલ, માઇક્રોબાયલ ડિસેલિનેશન સેલ, માઇક્રોબાયલ સોલર સેલ, માઇક્રોબાયલ કેમિકલ સેલ વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. ઇતિહાસ વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે માઇક્રોબાયલ કોષોનો ઉપયોગ એમ. સી. દ્વારા જોવામાં આવ્યો હતો. 1911 માં પોટર એ તારણ સાથે કે "સુક્ષ્મસજીવો દ્વારા કાર્બનિક સંયોજનોનું વિઘટન વિદ્યુત ઊર્જાની મુક્તિ સાથે છે". એમ. એફ. સી. સંશોધનમાં એક નોંધપાત્ર ઉમેરો 1931માં બી. કોહેન દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો, જ્યારે શ્રેણીબદ્ધ રીતે જોડાયેલા માઇક્રોબાયલ અર્ધ ઇંધણ કોષોનો ઢગલો બનાવવામાં આવ્યો હતો, જે 0.20 એમ. એ. ના પ્રવાહ સાથે 35 વી. થી વધુ ઉત્પાદન કરવામાં સક્ષમ હતો. 1980 ના દાયકાના અંતમાં બે સફળતાઓ મળી હતી જ્યારે કૃત્રિમ રેડોક્સ મધ્યસ્થીઓ વિના કોષના આંતરિક ભાગમાંથી બાહ્યકોષીય ધાતુના ઓક્સાઇડમાં ઇલેક્ટ્રોનનું પરિવહન કરવામાં સક્ષમ પ્રથમ બે જાણીતા બેક્ટેરિયાઃ શેવાનેલા (અગાઉ અલ્ટેરોમોનાસ) વનઇડેન્સિસ એમ. આર.-1 અને જીઓબેક્ટર સલ્ફરરેડ્યુસેન્સ પી. સી. એ. ને અલગ કરવામાં આવ્યા હતા. 90 ના દાયકાના અંતમાં, કિમ એટ અલ. દર્શાવ્યું હતું કે ફે (III)-ઘટાડતું બેક્ટેરિયમ, એસ. વનઇડેન્સિસ એમઆર-1 વિદ્યુતરાસાયણિક રીતે સક્રિય હતું અને કોઈપણ વધારાના ઇલેક્ટ્રોન મધ્યસ્થીઓ વિના એમએફસીમાં વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે છે. આ તારણોએ ઇલેક્ટ્રોમાઇક્રોબાયોલોજીના વિકાસ માટે પાયો નાંખ્યો અને એમ. એફ. સી. નું ક્ષેત્ર શરૂ થયું. જો કે, ઓછા વીજ ઉત્પાદનને કારણે, એમ. એફ. સી. ગંદા પાણીના કાર્બનિક ઘટાડા પર વ્યવહારુ ઉપયોગ કરી શકે છે કે કેમ તે પણ શંકાસ્પદ હતું. આ દ્રષ્ટિકોણ ત્યારે બદલાયો જ્યારે તે સ્થાપિત થયું કે ઘરેલું ગંદાપાણીને એક સાથે વીજળી ઉત્પન્ન કરતી વખતે વ્યવહારુ મર્યાદા સુધી સારવાર કરી શકાય છે. વધુમાં, ગ્લુકોઝનો ઉપયોગ કરીને એમ. એફ. સી. માં બાહ્ય રાસાયણિક મધ્યસ્થીઓની જરૂર વગર, વધુ તીવ્રતાના બે ક્રમની શક્તિની ઘનતા દર્શાવવામાં આવી હતી. આ કાર્યોને આધારે, એમ. એફ. સી. ના વ્યવહારુ ઉપયોગો વિકસાવવાની દોડ ખૂબ જ ઝડપી ગતિએ શરૂ થઈ છે, જેમાં મુખ્ય લક્ષ્યાંકો સ્થાનિક, ઔદ્યોગિક અને અન્ય પ્રકારના ગંદા પાણીના ઉપચાર માટે મોટા પાયે ટેકનોલોજીનો વિકાસ છે. 2004માં, કેથોડમાંથી સુક્ષ્મજીવાણુઓ સુધી બાહ્યકોષીય ઇલેક્ટ્રોન ગ્રહણ (EEU) (જીઓબેક્ટર એસપીપી.) તેને જોડાયેલ બાયોફિલ્મ સાથે સ્થાપિત કરવામાં આવી હતી, જ્યાં ફ્યુમરેટને ઘટાડીને સક્સીનેટ કરવામાં આવ્યું હતું. ઇલેક્ટ્રોન પરિવહન માટે આ વિપરીત પ્રતિક્રિયાએ એમ. ઇ. એસ. નું સંશોધન ક્ષેત્ર પેદા કર્યું. 2010 માં, નેવિન એટ અલ. એવું જાણવા મળ્યું છે કે એસિટોજેનિક સુક્ષ્મસજીવો સ્પોરોમુસા ઓવાટા કેથોડ ઇલેક્ટ્રોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોનને ઉપર ઉઠાવીને એમઇએસ કોષોમાં CO2 ને એસિટિક એસિડમાં રૂપાંતરિત કરી શકે છે. પછીના વર્ષોમાં, ગ્રીનહાઉસ વાયુ ઉત્સર્જન પર વધતી ચિંતાઓને કારણે, એમ. ઇ. એસ. કોષમાં CO2 બાયોઇલેક્ટ્રોકન્વર્ઝનનું ક્ષેત્ર વિકસ્યું. કેટલાક ઓટોટ્રોફિક સુક્ષ્મસજીવોએ કેથોડમાંથી સીધા અથવા મધ્યસ્થીઓ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોન મેળવવાની ક્ષમતા દર્શાવી હતી. ચોક્કસ માઇક્રોબાયલ પ્રજાતિઓ ઉપરાંત, એવું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું કે સીવેજ કાદવ, ડાયજેસ્ટર કાદવ અથવા દરિયાઈ/નદી કાંપ જેવા ઇનોક્યુલમ સ્રોતોમાંથી CO2 ઘટાડતા સમુદાયોને MES કોષોમાં સમૃદ્ધ કરી શકાય છે. પછીના દાયકામાં, તકનીકી સુધારાઓને કારણે એસિટેટ ઉત્પાદન દર થોડાથી વધીને સેંકડો ગ્રામ/એમ 2 કેથોડ/ડી થયો. એમઇએસ કોષોએ 200 એલ સીએચ4/એમ2કેથોડ/ડી સુધીના ઉત્પાદન દર સાથે CO2ને બાયોમિથેનમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે આશાસ્પદ તકનીકનું પણ પ્રદર્શન કર્યું હતું. વધુમાં, ઇથેનોલ અને કેપ્રોએટ સહિત વધુ મૂલ્યવાન ઉત્પાદનોને લક્ષ્ય બનાવવા માટે એમઇએસનો વ્યાપ વધારવામાં આવ્યો હતો. સિદ્ધાંતો માઇક્રોબાયલ એક્સ્ટ્રાસેલ્યુલર ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફર ઇલેક્ટ્રોડ સાથે બેક્ટેરિયાથી ઇલેક્ટ્રોન માટે વિવિધ પદ્ધતિઓ છે. આમાં "સીધી" પ્રક્રિયાનો સમાવેશ થાય છે, જ્યાં કોષની સપાટી પર સ્થિત રેડૉક્સ ઘટકો, જે મલ્ટીહિમ સાયટોક્રોમ અથવા નેનોફિલામેન્ટ્સ હોઈ શકે છે, નક્કર સપાટીઓ સાથે સીધો સંપર્ક કરે છે (આકૃતિ 1એ, સી અને ડી), અને "પરોક્ષ" પ્રક્રિયા જે દ્રાવ્ય રેડૉક્સ મધ્યસ્થીઓ દ્વારા મધ્યસ્થી કરવામાં આવે છે જે કોષો અને ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે [28-30] ઇલેક્ટ્રોનને ચક્રીય રીતે શટલ કરે છે (આકૃતિ 1બી). ઇલેક્ટ્રોન શટલ એ હ્યુમિક પદાર્થો હોઈ શકે છે જે કોષો દ્વારા ઉત્પન્ન થતા નથી, અથવા ગૌણ ચયાપચય કે જે ફેનાઝીન [32,33] અને ફ્લેવિન્સ [34,35] સહિતના સજીવો દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. વધુમાં, બેક્ટેરિયાના કેટલાક પ્રાથમિક ચયાપચય, જેમ કે સલ્ફર પ્રજાતિઓ અને H2, બાહ્યકોષીય ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનારાઓ તરફ ઇલેક્ટ્રોન પહોંચાડી શકે છે. મલ્ટીહિમ સાયટોક્રોમ્સમાં હેમ કોફેક્ટર્સ ઉપરાંત, ફ્લેવિન મોનોન્યુક્લિયોટાઇડ પણ કેટલાક બાહ્ય પટલ સાયટોક્રોમમાં ઇલેક્ટ્રોન ટ્રાન્સફરના દરને રેડોક્સ કોફેક્ટર્સ [27] તરીકે વધારવા માટે દર્શાવવામાં આવ્યા હતા. કારણ કે ઇલેક્ટ્રોન EET દરમિયાન સેલ્યુલર પટલમાં માઇક્રોબાયલ કોષોના આંતરિક ભાગમાંથી બાહ્ય ભાગમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે, હકારાત્મક ચાર્જવાળા આયનોને ચાર્જ તટસ્થતા જાળવવા માટે ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવાહની સમાન દિશામાં વારાફરતી ખસેડવાની જરૂર છે (આકૃતિ 1A). બાયોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સિસ્ટમ્સ (સિદ્ધાંતો, ઘટકો, રૂપરેખાંકનો) બાયોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સિસ્ટમ (બીઇએસ) એ એમઇટીમાં વપરાતું ઉપકરણ છે. એમએફસી જેવા ક્લાસિક બીઇએસ સામાન્ય રીતે બે વિભાગોથી બનેલો હોય છે (આકૃતિ 2): એક એનોડિક અને કેથોડિક વિભાગ જે પસંદગીયુક્ત પારગમ્ય, પ્રોટોન/કેટાયન વિનિમય પટલ અથવા સોલ્ટ બ્રિજ દ્વારા અલગ પડે છે. એમ. એફ. સી. માં, એનોડિક વિભાગમાં સુક્ષ્મજીવાણુઓ હોય છે જે એનોલાઇટમાં એનારોબિક પરિસ્થિતિઓમાં જૈવ ઉત્પ્રેરક તરીકે કામ કરે છે, જ્યાં કેથોડિક વિભાગમાં ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનાર (દા. ત.) હોય છે. ઓક્સિજન). કાર્બનિક સંયોજનોના ઓક્સિડેશનમાંથી પેદા થતા ઇલેક્ટ્રોન એનોડને પહોંચાડવામાં આવે છે. સૂક્ષ્મજીવાણુઓ દ્વારા ઉત્પાદિત ઇલેક્ટ્રોન સીધા 'નેનોવાયર' અથવા બાહ્ય-પટલ પ્રોટીન દ્વારા, અથવા પરોક્ષ રીતે ઇલેક્ટ્રોન શટલ એજન્ટોનો ઉપયોગ કરીને એનોડમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. આ ઇલેક્ટ્રોન બાહ્ય સર્કિટમાં કેથોડ સુધી પહોંચે છે અને સંચાલિત દરેક ઇલેક્ટ્રોન માટે, પ્રોટોન પ્રતિક્રિયા પૂર્ણ કરવા અને વિદ્યુત પ્રવાહને ટકાવી રાખવા માટે કેથોડ પર પ્રતિક્રિયા આપે છે. બીઇએસ રિએક્ટરના અસંખ્ય પ્રકારો છે પરંતુ મોટે ભાગે તે બધા સમાન સંચાલન સિદ્ધાંતો શેર કરે છે. કાર્યકારી પ્રણાલીમાં ત્રણ મૂળભૂત ઘટકો (એનોડ, કેથોડ અને વિભાજક) ની એસેમ્બલીને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે વિવિધ ડિઝાઇન અને રૂપરેખાંકનો સ્થાપિત કરવામાં આવ્યા છે. બીઇએસની કામગીરી તેમની ડિઝાઇન સાથે નોંધપાત્ર રીતે બદલાઈ છે. કોષ્ટક 1. મુખ્ય બીઇએસ ઘટકો અને તેમના બાંધકામ માટે સંકળાયેલ સામગ્રીનો સારાંશ દર્શાવે છે. કોષ્ટક 1. એમ. એફ. સી. એપ્લિકેશન્સના મુખ્ય ઘટકો ઊર્જા પુનઃપ્રાપ્તિ અને ઉત્પાદન એમ. એફ. સી. સાથે ગંદાપાણીની સારવાર તે જાણીતું છે કે ગંદાપાણીની સારવારમાં પંપીંગ, વાયુમિશ્રણ અને ઘન પદાર્થોનું સંચાલન એ મુખ્ય ઊર્જા વપરાશ પ્રક્રિયા છે. લાક્ષણિક ગંદાપાણીના શુદ્ધિકરણ પ્લાન્ટમાં કામગીરીના ખર્ચમાં 50 ટકા હિસ્સો માત્ર વાયુમિશ્રણનો હોઈ શકે છે. આ ખર્ચને દૂર કરવાથી મોટી માત્રામાં ઉર્જાની બચત થઈ શકે છે. ગંદાપાણીના શુદ્ધિકરણમાં એમ. એફ. સી., વીજળી ઉત્પાદન ઉપરાંત, આ ઉલ્લેખિત પ્રક્રિયાઓ સાથે જોડાયેલી ઊર્જા બચતમાં પણ મદદ કરે છે જે એક મોટો ફાયદો ઉમેરે છે. એમ. એફ. સી. પ્રક્રિયા એ એનારોબિક પ્રક્રિયા છે અને એનારોબિક પ્રક્રિયા માટે કાદવનું ઉત્પાદન એરોબિક પ્રક્રિયા માટે લગભગ 1/5 છે. આમ, એમ. એફ. સી. નો ઉપયોગ ગંદાપાણીના શુદ્ધિકરણ પ્લાન્ટમાં ઘન પદાર્થોના ઉત્પાદનમાં ઘટાડો કરી શકે છે, આખરે ઘન પદાર્થોના સંચાલન માટે નોંધપાત્ર સંચાલન ખર્ચમાં ઘટાડો કરી શકે છે. વધુમાં, આ ટેકનોલોજીએ આ સદીની શરૂઆતથી વીજ ઉત્પાદનમાં લગભગ ઘાતાંકીય વધારો જોયો છે. આ ઉત્ક્રાંતિ ઇજનેરો દ્વારા વધતી પ્રશંસાને પ્રતિબિંબિત કરે છે કે આ તકનીક વ્યવહારુ એપ્લિકેશન્સ તરીકે ઉભરી આવવા માટે તૈયાર છે અને સંકળાયેલ તકનીકો ખૂબ જ ટૂંક સમયમાં ચર્ચામાં આવશે. એમ. એફ. સી. તકનીકો દ્વારા ગંદાપાણીનું શુદ્ધિકરણ એક આશાસ્પદ અને હજુ સુધી અનન્ય પદ્ધતિ છે કારણ કે ગંદાપાણીના શુદ્ધિકરણની પ્રક્રિયા ઊર્જા ખર્ચને બદલે વીજળીના રૂપમાં ઊર્જા ઉત્પન્ન કરવાનો અભિગમ બની શકે છે. કે. આઈ. એમ. દ્વારા પાણીમાં લેક્ટેટના નિર્ધારણ માટે એમ. એફ. સી. નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો. અને સહકાર્યકરો, અને પછીથી દર્શાવ્યું કે એમ. એફ. સી. માં વીજળીનું ઉત્પાદન ઔદ્યોગિક ગંદાપાણીનો ઉપયોગ કરીને સ્ટાર્ચ દ્વારા ટકાવી શકાય છે. એમ. એફ. સી. માં વીજળીના ઉત્પાદન માટે શુદ્ધ સંયોજનોથી માંડીને ગંદાપાણીમાં હાજર કાર્બનિક પદાર્થોના જટિલ મિશ્રણ સુધી વિવિધ પ્રકારના સબસ્ટ્રેટ્સનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ગંદાપાણીના જૈવિક ઉપચાર માટે એમ. એફ. સી. ની અરજીએ લગભગ 40-90% COD અને BOD ઘટાડા સાથે ગંદા પાણીમાં કાર્બનિક પદાર્થોનું વીજળીમાં અસરકારક રૂપાંતર પણ નોંધ્યું છે. દેખીતી રીતે, ગંદા પાણીમાંથી જે ઊર્જા મેળવી શકાય છે તે શહેરને વીજળી આપવા માટે પૂરતી નથી, પરંતુ તે ટ્રીટમેન્ટ પ્લાન્ટ ચલાવવા માટે પૂરતી મોટી હોઈ શકે છે. સતત પ્રગતિ સાથે, આ શક્તિ મેળવવાથી ગંદાપાણીના માળખામાં ઊર્જા સ્થિરતા તરફ દોરી જઈ શકાય છે. બેન્થિક એમ. એફ. સી. બેન્થિક એમ. એફ. સી. એનોક્સિક દરિયાઈ કાંપમાં કાર્બનિક સબસ્ટ્રેટ્સના માઇક્રોબાયલ ઓક્સિડેશન દ્વારા વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે, જે ઉપરના પાણીના સ્તંભમાં ઓક્સિજનના ઘટાડા સાથે જોડાય છે. વિવિધ કાંપમાં કુદરતી રીતે બનતા સુક્ષ્મસજીવોના ચયાપચયમાંથી ઇલેક્ટ્રોન ઉત્પન્ન થાય છે. જેમ કે, બેન્થિક એમ. એફ. સી. ને કોઈપણ બાહ્ય સુક્ષ્મસજીવો અથવા ઇલેક્ટ્રોન શટલના ઉમેરાની જરૂર નથી. હવામાન જહાજોએ તેમની સંપૂર્ણ શક્તિ બેન્થિક એમ. એફ. સી. માંથી મેળવી હતી, જે તેમને બેટરી બદલવાની જરૂરિયાતથી સતત અને સ્વતંત્ર રીતે કામ કરવાની મંજૂરી આપે છે. બેન્થિક એમ. એફ. સી. ને વીજ ઉત્પાદનમાં કોઈ ઘટાડો કર્યા વિના ઘણા વર્ષો સુધી ચલાવી શકાય છે. સંશોધકોએ અંદાજ મૂક્યો હતો કે બેન્થિક એમએફસી સમાન પાવર સ્તરો પર અનિશ્ચિત સમય માટે પાવર પ્રદાન કરી શકે છે અને ઊંડા સમુદ્રની પાવર અને લાઇટ એન્ક્લોઝ્ડ લીડ એસિડ બેટરીની સમાન કિંમત એક વર્ષ સુધી પહોંચાડી શકે છે. પોષક તત્ત્વોની પુનઃપ્રાપ્તિ નાઇટ્રોજન અને ફોસ્ફરસને ગંદા પાણીમાં મુખ્ય પ્રદૂષકો તરીકે ગણવામાં આવે છે, જેને દૂર કરવા અને પુનઃપ્રાપ્તિ ટકાઉ ઉપચાર પ્રણાલીઓ માટે જરૂરી છે. નાઇટ્રોજનને પરંપરાગત રીતે જૈવિક નાઇટ્રિફિકેશન અને ડિનાઇટ્રિફિકેશન પ્રક્રિયાઓ દ્વારા દૂર કરવામાં આવે છે જેમાં ખૂબ જ ઊંચી ઊર્જા અને ગંદાપાણીના ઉપચારમાં ખર્ચનો સમાવેશ થાય છે. મૂત્ર, ડુક્કરનો દારૂ, ડાઇજેસ્ટર દારૂ અને લેન્ડફિલ લીચેટ વગેરે જેવા નાઇટ્રોજનથી સમૃદ્ધ કચરાના પ્રવાહોમાંથી સારા નફા સાથે એમોનિયમ નાઇટ્રોજનની પુનઃપ્રાપ્તિ માટે બીઇએસમાં સારી સંભાવના છે. નકામા પાણીમાંથી ફોસ્ફરસ પરંપરાગત રીતે બેક્ટેરિયા દ્વારા પોલિફોસ્ફેટ ગ્રાન્યુલ્સ, ફે-પી અથવા સ્ટ્રુવાઇટ તરીકે પુનઃપ્રાપ્ત થાય છે. ક્યૂસિક એટ અલ. સિંગલ-ચેમ્બર એમ. ઇ. સી. નો ઉપયોગ કરીને બી. ઇ. એસ. માં સ્ટ્રુવાઇટનું ઉત્પાદન હાંસલ કરવામાં આવ્યું હતું, જ્યાં <આઇ. ડી. 1> ગ્રામ/એમ. 2/કલાકના દરે સ્ટ્રુવાઇટ વરસાદ દ્વારા 40 ટકા સુધી દ્રાવ્ય ફોસ્ફેટ પુનઃપ્રાપ્ત કરવામાં આવ્યું હતું. બીઇએસમાં અન્ય ફોસ્ફરસ પુનઃપ્રાપ્તિમાં ગંદાપાણીમાંથી ફોસ્ફેટ આયનો સાથે કેથોડ પ્રતિક્રિયા દ્વારા પેદા થતા હાઇડ્રોક્સાઇડ આયનોના વિનિમયનો સમાવેશ થાય છે, જેના પરિણામે 52.4 ± 9.8% ફોસ્ફેટ દૂર થાય છે. માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિમેડિએશન બીઇએસ ભૂગર્ભ અશુદ્ધિઓના ઉપચાર માટે ઓક્સિડેશન અને રિડક્શન-આધારિત પ્રક્રિયાઓ બંને માટે જાણીતા છે. પરંપરાગત જૈવિક સારવાર અથવા રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓની તુલનામાં, બીઇએસ એક અથવા બહુવિધ ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરે છે જે પ્રદૂષકોના ઉપચાર માટે બંધ રિએક્ટર નથી. આ પ્રણાલીમાં સોલિડ ઇલેક્ટ્રોડ્સ બિન-ઝેરી અથવા ઓછા ઝેરી સ્વરૂપોમાં પ્રદૂષકોના માઇક્રોબાયલ પરિવર્તનને ઉત્તેજીત કરવા માટે બિન-લુપ્ત ઇલેક્ટ્રોન સ્વીકારનારાઓ/દાતાઓ તરીકે કામ કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, સહવર્તી બાયોઇલેક્ટ્રિસિટી સાથે ઝેરનું બાયોડિગ્રેડેશન વધારવું એ ઉત્પાદન હોઈ શકે છે. જટિલ પેટ્રોલિયમ ઓર્ગેનિક્સ, જેમ કે બીટીઇએક્સ સંકુલ (બેન્ઝિન, ટોલ્યુન, ઝાયલીન અને ઇથાઇલબેન્ઝીન, વગેરે) બીઇએસ સિસ્ટમનો ઉપયોગ કરીને બાયોરેમેડિએટેડ કરી શકાય છે. મોરિસ અને અન્ય લોકોએ અહેવાલ આપ્યો હતો કે પાવર ઇનપુટ વિના ઇલેક્ટ્રોડ્સ રજૂ કરીને 164% દ્વારા ડીઝલ (C8-C25) ના અધઃપતનમાં સુધારો થયો હતો. બાયોડિઝલ, ફિનોલ, કુલ પેટ્રોલિયમ હાઇડ્રોકાર્બન, પોલીસાયક્લિક એરોમેટિક હાઇડ્રોકાર્બન (પી. એ. એચ.), 1,2-ડાયક્લોરોએથેન, પાયરિડીન વગેરે પરની તપાસમાં પણ જણાવવામાં આવ્યું છે કે, બી. ઇ. એસ. ને માન્ય કરવાનો ઉપયોગ પેટ્રોલિયમ હાઇડ્રોકાર્બનનું એક સાથે વર્તમાન પેઢી સાથે અધઃપતન કરવા માટે વ્યવહારુ તકનીક તરીકે થઈ શકે છે. ઉચ્ચ ઝેરી અથવા કાર્સિનોજેનિક પ્રકૃતિ માટે જાણીતા ટ્રાઇક્લોરોએથીન અને ટેટ્રાક્લોરોએથીન જેવા ક્લોરિનેટેડ દ્રાવકો નકારાત્મક ધ્રુવીકૃત સોલિડ-સ્ટેટ ઇલેક્ટ્રોડનો ઉપયોગ કરીને અધોગતિ પામે છે જે ઇલેક્ટ્રોન શટલ સાથે અને વગર ઇલેક્ટ્રોનનું દાન કરે છે. નાઇટ્રેટને દૂર કરવું, એક સામાન્ય ભૂગર્ભજળ દૂષિત પદાર્થ, ક્યાં તો એકલા [સેકોનેટ, 2018 #9] અથવા આર્સેનાઇટ જેવા અન્ય સહ-પ્રદૂષકો સાથે સંયોજનમાં પણ દર્શાવવામાં આવ્યું છે. પરંપરાગત ડિનાઇટ્રીફિકેશનની તુલનામાં જેમાં હેટરોટ્રોફિક ડિનાઇટ્રીફાઇંગ બેક્ટેરિયાનો સમાવેશ થાય છે, બીઇએસ દ્વારા ડિનાઇટ્રીફિકેશનમાં ઓટોટ્રોફિક ડિનાઇટ્રીફાઇંગ બેક્ટેરિયાનો સમાવેશ થાય છે જેમાં ઇલેક્ટ્રોડમાંથી ઇલેક્ટ્રોન લેવાની ક્ષમતા હોય છે. પરિણામે, બીઇએસમાં બાયોકેથોડ્સ ડિનાઇટ્રીફિકેશન માટે વિકસાવવામાં આવ્યા છે, જેના પરિણામે ભૂગર્ભજળ અને ગંદાપાણીમાં ઓછા ઉર્જા ખર્ચ પર નાઇટ્રેટ/નાઇટ્રાઇટમાં કાર્યક્ષમ ઘટાડો થાય છે. અન્ય અભ્યાસોમાં, ઇલેક્ટ્રોન દાતાઓ તરીકે કેથોડ સાથે બીઇએસમાં પર્ક્લોરેટ, સીઆર (VI), ક્યુ (II) અને કિરણોત્સર્ગી યુરેનિયમમાં ઘટાડો પણ હાંસલ કરવામાં આવ્યો છે. દ્રાવ્ય ઇલેક્ટ્રોન દાતાને બદલે ઇલેક્ટ્રોન દાતા તરીકે નક્કર ઇલેક્ટ્રોડના ઉપયોગ સાથે સંકળાયેલ મુખ્ય ફાયદો એ છે કે દૂષિત પદાર્થ (દા. ત., યુ (VI) થી યુ (IV)) નો ઘટાડો જે ઇલેક્ટ્રોડ પર સ્થિર અવક્ષેપ છે. બીઇએસનો ઉપયોગ કરીને માત્ર ભૂગર્ભજળ જ નહીં પરંતુ માટીના જૈવિક ઉપચારનું પણ સંશોધન કરવામાં આવ્યું છે. ઉદાહરણ તરીકે, તે જમીનમાં હર્બિસાઈડ્સ અને એન્ટિબાયોટિક્સની સફળ સફાઇ દર્શાવવામાં આવી છે (સંદર્ભ). રસાયણોના માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ ઉત્પાદન એમઇએસ, બીઇએસનો એક પ્રકાર, કેથોડિક ઉત્પ્રેરક તરીકે સુક્ષ્મજીવાણુઓનો ઉપયોગ કરીને બળતણ અને ઉચ્ચ મૂલ્યના રસાયણોના સંશ્લેષણને ચલાવવા માટે વીજળીનો ઉપયોગ કરી શકે છે, જે કચરાના પ્રવાહોની સારવારમાં પણ પરિણમે છે (આકૃતિ. 3). આ પ્રણાલી સાથે સંકળાયેલા બેવડા ફાયદાઓ કાર્બન સીક્વેસ્ટ્રેશન અને મૂલ્ય વર્ધિત રસાયણોના ઉત્પાદન છે. MES દ્વારા H2, એસિટેટ, CH4, ઇથેનોલ, બ્યુટેનોલ, H2O2 વગેરે જેવા મૂલ્યવાન સંયોજનોની વિશાળ શ્રેણીનું ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું છે. એમઇએસમાં ઉત્પાદન સ્પેક્ટ્રમ મોટાભાગે બાયોકેથોડ સામગ્રી (કાર્બન-અથવા ધાતુ-આધારિત), સામેલ સુક્ષ્મસજીવો, ઘટાડાની ક્ષમતા અને રેડૉક્સ મધ્યસ્થી પ્રવૃત્તિ અને પીએચ, તાપમાન અને દબાણ સહિત કામગીરીની પરિસ્થિતિઓ દ્વારા સંચાલિત થાય છે. કેથોડ પર હાઇડ્રોજનનું ઉત્પાદન સુનિશ્ચિત કરવા માટે-0.6 અને-1.0 V વિરુદ્ધ SHE વચ્ચેની ક્ષમતાઓ સામાન્ય રીતે મિશ્ર સંવર્ધન સાથે રસી અપાયેલ MES પર લાગુ કરવામાં આવે છે, જે પછી CO2 ઘટાડવા માટે એસિટોજેનિક અને મિથેનોજેનિક સુક્ષ્મસજીવો દ્વારા ગ્રહણ કરવામાં આવે છે. સ્પોરોમુસા જેવા ચોક્કસ સુક્ષ્મસજીવો માટે ઓછી નકારાત્મક ક્ષમતાઓ પર CO2માં ઘટાડો,-0.4 V વિરુદ્ધ SHEની સૈદ્ધાંતિક ક્ષમતાથી પણ ઉપર દર્શાવવામાં આવ્યો છે, જોકે હજુ પણ તે ચર્ચા કરવામાં આવે છે કે શું તે કેથોડમાંથી સીધા ઇલેક્ટ્રોન ગ્રહણને આભારી છે કે ઇલેક્ટ્રોડની સપાટી પર અનુકૂળ થર્મોડાયનેમિક્સને. એમઇએસ પરના મોટાભાગના અભ્યાસો આસપાસના (આશરે 20 ડિગ્રી સેલ્સિયસ) અથવા મેસોફિલિક (આશરે 35 ડિગ્રી સેલ્સિયસ) હેઠળ કરવામાં આવ્યા છે, પરંતુ આ પ્રક્રિયા થર્મોફિલિક પરિસ્થિતિઓ (50-70 °C) હેઠળ શક્ય હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું. તટસ્થ અથવા સહેજ એસિડિક pH (5.5-7.0) એ CO2ને એસિટિક એસિડમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે શ્રેષ્ઠ હોવાનું દર્શાવવામાં આવ્યું હતું, જો કે મિથેનોજેનેસિસની શરૂઆતને ટાળવા માટે નીચા pH અથવા બ્રોમોઇથેન સલ્ફોનિક એસિડ (બીઇએસએ) જેવા અવરોધકોનો ઉપયોગ જરૂરી છે. એમઇએસમાંથી મેળવેલા રાસાયણિક સંયોજનોનો ઉપયોગ પોલિમરીક ઉત્પાદનો, ડીઝલ અથવા કેરોસીન જેવા ઉત્પાદનો, પ્લાસ્ટિસાઈઝર્સ અને ઘણા ઉદ્યોગોમાં લ્યુબ્રિકેટિંગ એજન્ટો જેવા ડાઉનસ્ટ્રીમ ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનોના ઉત્પાદન માટે પૂર્વગામી તરીકે થઈ શકે છે. આકૃતિ. 3. કચરાના પ્રવાહોની પ્રક્રિયા અને ઉચ્ચ મૂલ્યના ઉત્પાદનોની રચના દર્શાવતી એમઇએસની યોજના. એસિટેટ, બ્યુટેરેટ અને લેક્ટેટ જેવા ઘણા કાર્બનિક સંયોજનો મોટાભાગે ગંદાપાણીના છોડ અને આથો લાવવાના એકમોના પ્રવાહમાં અસ્તિત્વ ધરાવે છે. આ ઓર્ગેનિક્સ મૂલ્યવાન ઉત્પાદનો છે, પરંતુ તેમની ઓછી સાંદ્રતાને કારણે, નિષ્કર્ષણ એ ખર્ચ-અસરકારક વિકલ્પ નથી. તેથી, આ ટૂંકી સાંકળવાળા કાર્બોક્સિલિક એસિડને લાંબા સાંકળવાળા એસિડ અને અન્ય ઉપયોગી ઉત્પાદનોમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે એમઇએસનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. જો કે ઉચ્ચ મૂલ્યના સંયોજનો ઓછા સંસાધન ખર્ચ ફીડમાંથી મેળવી શકાય છે, તેમ છતાં વર્તમાન તકનીકોની તુલનામાં રેડોક્સ સંભવિતતાને નિયંત્રિત કરવી અને કેથોડ્સને વર્તમાન પુરવઠો આર્થિક રીતે શક્ય છે કે કેમ તેની સરખામણી કરવા માટે અભ્યાસ જરૂરી છે. તેમ છતાં, આ તકનીકી મંચમાં વધુ સુધારાઓ ભવિષ્યના જૈવ અર્થતંત્રના ઘણા મૂળભૂત પડકારોને દૂર કરવામાં મદદ કરી શકે છે. H2 ના ઉત્પાદન માટે માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોલિસિસ જ્યારે હાઇડ્રોજન ઉત્પાદન માટે વપરાય છે, ત્યારે તમામ કાર્બનિક પદાર્થોને કાર્બન ડાયોક્સાઇડ અને હાઇડ્રોજન ગેસમાં ફેરવવાના ઉર્જા અવરોધને દૂર કરવા માટે MEC ને બાહ્ય ઉર્જા સ્રોત દ્વારા પૂરક બનાવવાની જરૂર છે. પ્રમાણભૂત એમ. એફ. સી. ને> 0.14 વી. ના પૂરક દ્વારા હાઇડ્રોજન ઉત્પાદક એમ. ઇ. સી. માં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે. કેથોડ પર હાઇડ્રોજન પરપોટા બને છે અને બળતણ સ્ત્રોત તરીકે ઉપયોગમાં લેવા માટે એકત્રિત કરવામાં આવે છે. સામાન્ય એમ. એફ. સી. ની જેમ પેદા થવાને બદલે વીજળીનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે, તેમ છતાં હાઇડ્રોજન ઉત્પન્ન કરવાની આ પદ્ધતિ કાર્યક્ષમ છે કારણ કે એનોડ પર બેક્ટેરિયા દ્વારા ઉત્પન્ન થતા 90 ટકાથી વધુ પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોન હાઇડ્રોજન ગેસમાં ફેરવાય છે. એમ. એફ. સી. ના અંતર્ગત ઓછા પાવરના લક્ષણને દૂર કરવા માટે હાઇડ્રોજનનો સંચય કરી શકાય છે અને પછીના ઉપયોગ માટે સંગ્રહિત કરી શકાય છે. માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ બાયોગેસને CH4માં અપગ્રેડ કરવું માઇક્રોબાયલ ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિડક્શનની વિભાવનામાં કાર્બન ડાયોક્સાઇડનું રૂપાંતર સામેલ છે, જે એનારોબિક ડાયજેસ્ટરમાં ઉત્પાદિત બાયોગેસનો બિન-ઊર્જા-સમૃદ્ધ ઘટક છે, જે મિથેનના ઊર્જા-સમૃદ્ધ ઘટકમાં રૂપાંતરિત થાય છે. એમઇએસમાં કાર્બન ડાયોક્સાઇડ, પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોન (વીજળીમાંથી) વચ્ચેની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા દ્વારા આ ઘટાડો શક્ય છે. આને અન્યથા પાવર-ટુ-ગેસ ટેકનોલોજી તરીકે ઓળખવામાં આવે છે, જે ઇલેક્ટ્રોકેમિકલ એકમોને ઔદ્યોગિક કચરો અને વધુ મહત્ત્વની ઔદ્યોગિક CO2 ઉત્સર્જન માટે કાર્બન સિંક તરીકે કામ કરવાની મંજૂરી આપે છે. પાવર-ટુ-ગેસ ટેકનોલોજી સંભવિત રીતે એમાઇન સ્ક્રબિંગ અથવા પ્રેશર સ્વિંગ એડસોર્પ્શન જેવી મોંઘી તકનીકોનો ઉપયોગ કરીને CO2 ને દૂર કરવાની જરૂર વગર કુદરતી ગેસના સમાન ગ્રેડ સાથે બાયોગેસ ઉત્પન્ન કરે છે. પાણીનું ડિસેલિનેશન દરિયાઈ પાણીનું ડિસેલિનેશન અને પીવાના પાણી માટે વપરાતા ખારા પાણીએ હંમેશા નોંધપાત્ર સમસ્યાઓ રજૂ કરી છે કારણ કે પાણીમાંથી ઓગળેલા ક્ષારને દૂર કરવા માટે જરૂરી ઊર્જાની માત્રા છે. અનુકૂલિત એમ. એફ. સી. નો ઉપયોગ કરીને, આ પ્રક્રિયા કોઈ બાહ્ય વિદ્યુત ઊર્જા ઇનપુટ વિના આગળ વધી શકે છે. પ્રમાણભૂત એમ. એફ. સી. ના બે ઇલેક્ટ્રોડ્સ વચ્ચે ત્રીજો ચેમ્બર ઉમેરતી વખતે અને તેને દરિયાઈ પાણીથી ભરતી વખતે, કોષના હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ્સ અનુક્રમે હકારાત્મક અને નકારાત્મક મીઠાના આયનોને આકર્ષિત કરે છે, અને અર્ધ-પારગમ્ય પટલનો ઉપયોગ કરીને સમુદ્રના પાણીમાંથી મીઠાને ફિલ્ટર કરી શકાય છે. પ્રયોગશાળાના કાર્યમાં 90 ટકા સુધીની મીઠું દૂર કરવાની કાર્યક્ષમતા નોંધવામાં આવી છે. એમ. એફ. સી. ની કુલોમ્બિક ઉપજ અને ગંદાપાણીમાં કાર્બનિક પદાર્થોની મજબૂતાઈના સહસંબંધને કારણે બાયોસેન્સર એમ. એફ. સી. જૈવિક કચરો શુદ્ધિકરણ એકમની દેખરેખ અને નિયંત્રણમાં ઉપયોગી છે, જે બાયોસેન્સર માટે વાંચન તરીકે કામ કરે છે. શેવાનેલા સુક્ષ્મસજીવો પર આધારિત પ્રણાલીઓ ગટરમાં જૈવિક ઓક્સિજનની માંગને માપવા માટે સેન્સર તરીકે વચન દર્શાવે છે. આ ખ્યાલને અન્ય સંયોજનોને શોધવા માટે સહેલાઈથી વિસ્તૃત કરી શકાય છે જે વીજળી ઉત્પાદન માટે ઇલેક્ટ્રોન દાતા તરીકે કામ કરી શકે છે, જેમ કે હાઇડ્રોજન અથવા સુગંધિત અશુદ્ધિઓ. ઉપરાંત, આવા સેન્સર નદીઓમાં ઝેરી પદાર્થોના સૂચકાંકો તરીકે, ગંદાપાણીના શુદ્ધિકરણ પ્લાન્ટના પ્રવેશદ્વાર પર, પ્રદૂષણ અથવા ગેરકાયદેસર ડમ્પિંગને શોધવા માટે અથવા પ્રદૂષિત સ્થળો પર સંશોધન કરવા માટે અત્યંત ઉપયોગી થઈ શકે છે. માઇક્રો-ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને સંબંધિત શાખાઓના વિકાસ સાથે ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો માટે વીજળીની જરૂરિયાતમાં ભારે ઘટાડો થયો છે. એમએફસી લો-પાવર સેન્સર ચલાવી શકે છે જે દૂરના વિસ્તારોમાંથી માહિતી એકત્રિત કરે છે. એનારોબિક બેક્ટેરિયા કે જે કુદરતી રીતે કાંપમાં ઉગે છે તે નાના પ્રવાહનું ઉત્પાદન કરે છે જેનો ઉપયોગ સેન્સર માટે ઊર્જા સંગ્રહિત કરવા માટે કેપેસિટરને ચાર્જ કરવા માટે થઈ શકે છે. પરંપરાગત બેટરીને બદલે રિમોટ સેન્સિંગમાં એમ. એફ. સી. નો ઉપયોગ કરવાનો એક મોટો ફાયદો એ છે કે બેક્ટેરિયા પ્રજનન કરે છે, જે એમ. એફ. સી. ને પરંપરાગત બેટરી કરતાં નોંધપાત્ર રીતે લાંબુ આયુષ્ય આપે છે. આમ સેન્સરને જાળવણી વિના ઘણા વર્ષો સુધી દૂરના વિસ્તારમાં એકલા છોડી શકાય છે. આ અસર માટે વિશ્વસનીય એમ. એફ. સી. વિકસાવવા તરફ વ્યાપક સંશોધન, મોટે ભાગે યોગ્ય કાર્બનિક અને અકાર્બનિક પદાર્થોની પસંદગી પર કેન્દ્રિત છે જેનો ઉપયોગ ઊર્જાના સ્ત્રોત તરીકે થઈ શકે છે. માઇક્રોબાયલ વર્તમાન ઉત્પાદન બાયોફિલ્મ અથવા ગંદાપાણી આધારિત રોગચાળાની દવાની તપાસ માટે બાયોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ સેન્સરને પણ લાગુ પડે છે. જીઓબેક્ટર બેક્ટેરિયલ નેનોવાયર્સ એક્સોઇલેક્ટ્રોજન બાયોઇલેક્ટ્રોકેમિકલ રિએક્ટર સંદર્ભો બાયોફિઝિક્સ પણ જુઓ.