Microbial electrochemical technologies
सूक्ष्मजीव विद्युत रासायनिक प्रौद्योगिकियां (एम. ई. टी.) सूक्ष्मजीवों का उपयोग विद्युत रासायनिक उत्प्रेरक के रूप में करती हैं, जो जैव विद्युत, जैव ईंधन, एच2 और अन्य मूल्यवान रसायनों के उत्पादन के लिए सूक्ष्मजीव चयापचय को विद्युत रासायनिक प्रक्रियाओं के साथ मिला देती हैं। माइक्रोबियल फ्यूल सेल (एम. एफ. सी.) और माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस सेल (एम. ई. सी.) एम. ई. टी. के प्रमुख उदाहरण हैं। जबकि एम. एफ. सी. का उपयोग आमतौर पर अपशिष्ट जल उपचार से जुड़े कार्बनिक पदार्थों से बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है, एम. ई. सी. का उपयोग एच2 या मीथेन के उत्पादन जैसी रासायनिक प्रतिक्रियाओं को चलाने के लिए बिजली का उपयोग करता है। हाल ही में, माइक्रोबियल इलेक्ट्रोसिंथेसिस कोशिकाएं (एम. ई. एस.) भी एक आशाजनक एम. ई. टी. के रूप में उभरी हैं, जहाँ कैथोड डिब्बे में मूल्यवान रसायनों का उत्पादन किया जा सकता है। अन्य एम. ई. टी. अनुप्रयोगों में माइक्रोबियल रेमेडिएशन सेल, माइक्रोबियल डिसेलिनेशन सेल, माइक्रोबियल सोलर सेल, माइक्रोबियल केमिकल सेल आदि शामिल हैं। इतिहास विद्युत उत्पादन के लिए सूक्ष्मजीव कोशिकाओं का उपयोग एम. सी. द्वारा किया गया था। 1911 में पॉटर ने यह निष्कर्ष निकाला कि "सूक्ष्मजीवों द्वारा कार्बनिक यौगिकों का विघटन विद्युत ऊर्जा की मुक्ति के साथ होता है।" एम. एफ. सी. अनुसंधान में एक उल्लेखनीय वृद्धि 1931 में बी. कोहेन द्वारा की गई थी, जब श्रृंखला में जुड़े सूक्ष्मजीव अर्ध ईंधन कोशिकाओं का ढेर बनाया गया था, जो 0.20 एम. ए. की धारा के साथ 35 वी. से अधिक का उत्पादन करने में सक्षम था। 1980 के दशक के अंत में दो सफलताएं मिलीं जब कृत्रिम रेडॉक्स मध्यस्थों के बिना कोशिका के आंतरिक भाग से बाह्य कोशिकीय धातु ऑक्साइड तक इलेक्ट्रॉन ले जाने में सक्षम पहले ज्ञात बैक्टीरिया में से दोः शेवानेला (पूर्व में अल्टेरोमोनास) वनइडेन्सिस एम. आर.-1 और जियोबैक्टर सल्फररेड्यूसेंस पी. सी. ए. को अलग किया गया था। 90 के दशक के अंत में, किम और अन्य। पता चला कि फ़े (III) को कम करने वाला जीवाणु, एस. वनइडेनसिस एम. आर.-1 विद्युत रासायनिक रूप से सक्रिय था और बिना किसी अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन मध्यस्थ के एम. एफ. सी. में बिजली पैदा कर सकता है। इन निष्कर्षों ने विद्युत-सूक्ष्म जीव विज्ञान के विकास के लिए आधार स्थापित किया और एम. एफ. सी. का क्षेत्र शुरू हुआ। हालांकि, कम बिजली उत्पादन के कारण, यह भी संदेह था कि क्या एम. एफ. सी. अपशिष्ट जल जैविक कमी पर व्यावहारिक अनुप्रयोग हो सकता है। यह दृष्टिकोण तब बदल गया जब यह स्थापित किया गया कि घरेलू अपशिष्ट जल को बिजली का उत्पादन करते हुए व्यावहारिक सीमाओं तक उपचारित किया जा सकता है। इसके अलावा, बाहरी रासायनिक मध्यस्थों की आवश्यकता के बिना, ग्लूकोज का उपयोग करते हुए एक एम. एफ. सी. में शक्ति घनत्व दो क्रम अधिक परिमाण का प्रदर्शित किया गया था। इन कार्यों के आधार पर, एम. एफ. सी. के व्यावहारिक अनुप्रयोगों को विकसित करने की दौड़ बहुत तेज गति से शुरू की गई, जिसमें प्रमुख लक्ष्य घरेलू, औद्योगिक और अन्य प्रकार के अपशिष्ट जल के उपचार के लिए बड़े पैमाने पर प्रौद्योगिकी का विकास करना है। 2004 में, कैथोड से सूक्ष्मजीवों (जियोबैक्टर एसपीपी) में बाह्य कोशिकीय इलेक्ट्रॉन ग्रहण (ई. ई. यू.)। इसे संलग्न बायोफिल्म के साथ स्थापित किया गया था, जहां फ्यूमरेट को कम करके सक्सीनेट कर दिया गया था। इलेक्ट्रॉन परिवहन के लिए इस विपरीत प्रतिक्रिया ने एम. ई. एस. के अनुसंधान क्षेत्र को उत्पन्न किया। 2010 में, नेविन और अन्य। यह पता चला कि एसिटोजेनिक सूक्ष्मजीव स्पोरोमुसा ओवाटा कैथोड इलेक्ट्रोड से इलेक्ट्रॉनों को ऊपर उठाकर एमईएस कोशिकाओं में सीओ2 को एसिटिक एसिड में परिवर्तित कर सकता है। अगले वर्षों में, ग्रीनहाउस गैस उत्सर्जन पर बढ़ती चिंताओं के कारण, एम. ई. एस. कोशिका में सी. ओ. 2 जैव-विद्युत रूपांतरण का क्षेत्र फला-फूला। कई ऑटोट्रॉफिक सूक्ष्मजीवों ने कैथोड से या तो सीधे या मध्यस्थों के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों को पकड़ने की क्षमता दिखाई। विशिष्ट सूक्ष्मजीव प्रजातियों के अलावा, यह दिखाया गया कि सीवेज कीचड़, डाइजेस्टर कीचड़ या समुद्री/नदी तलछट जैसे इनोकुलम स्रोतों से एम. ई. एस. कोशिकाओं में कार्बन डाइऑक्साइड को कम करने वाले समुदायों को समृद्ध किया जा सकता है। अगले दशक में, तकनीकी सुधारों के कारण एसीटेट उत्पादन दर कुछ से बढ़कर सैकड़ों ग्राम/एम2कैथोड/डी हो गई। एमईएस कोशिकाओं ने 200 एल सीएच4/एम2कैथोड/डी तक की उत्पादन दर के साथ सीओ2 को बायोमीथेन में परिवर्तित करने के लिए एक आशाजनक तकनीक का भी प्रदर्शन किया। इसके अलावा, इथेनॉल और कैप्रोएट सहित अधिक मूल्यवान उत्पादों को लक्षित करने के लिए एमईएस दायरे का विस्तार किया गया था। सिद्धांत माइक्रोबियल एक्स्ट्रासेल्युलर इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण एक इलेक्ट्रोड के साथ बैक्टीरिया से इलेक्ट्रॉनों के लिए विभिन्न तंत्र हैं। इनमें एक "प्रत्यक्ष" प्रक्रिया शामिल है, जहां कोशिका की सतह पर स्थित रेडॉक्स घटक, जो मल्टीहिम साइटोक्रोम या नैनोफिलामेंट्स हो सकते हैं, ठोस सतहों (चित्र 1ए, सी और डी) के साथ सीधे संपर्क करते हैं, और एक "अप्रत्यक्ष" प्रक्रिया जो घुलनशील रेडॉक्स मध्यस्थों द्वारा मध्यस्थता की जाती है जो कोशिकाओं और इलेक्ट्रोड [28-30] (चित्र 1बी) के बीच चक्रीय रूप से इलेक्ट्रॉनों को संचालित करते हैं। इलेक्ट्रॉन शटल ह्यूमिक पदार्थ हो सकते हैं जो कोशिकाओं द्वारा उत्पादित नहीं होते हैं, या द्वितीयक चयापचय जो जीवों द्वारा उत्पादित होते हैं जिनमें फीनाज़िन [32,33] और फ्लेविन [34,35] शामिल हैं। इसके अलावा, बैक्टीरिया के कुछ प्राथमिक चयापचय, जैसे कि सल्फर प्रजाति और एच2, इलेक्ट्रॉनों को बाह्य कोशिकीय इलेक्ट्रॉन स्वीकारकों की ओर ले जा सकते हैं। मल्टीहीम साइटोक्रोम में हीम सह-कारकों के अलावा, फ्लेविन मोनोन्यूक्लियोटाइड को कुछ बाहरी झिल्ली साइटोक्रोम में रेडॉक्स सह-कारकों [27] के रूप में इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की दर को बढ़ाने के लिए भी दिखाया गया था। चूँकि इलेक्ट्रॉनों को ई. ई. टी. के दौरान सेलुलर झिल्ली के पार माइक्रोबियल कोशिकाओं के आंतरिक से बाहरी हिस्से में स्थानांतरित किया जाता है, इसलिए आवेश तटस्थता बनाए रखने के लिए सकारात्मक आवेश वाले आयनों को एक साथ इलेक्ट्रॉन प्रवाह के समान दिशा में जाने की आवश्यकता होती है (चित्र 1ए)। बायोइलेक्ट्रोकैमिकल सिस्टम (सिद्धांत, घटक, विन्यास) एक बायोइलेक्ट्रोकैमिकल सिस्टम (बीईएस) एमईटी में उपयोग किया जाने वाला उपकरण है। एम. एफ. सी. जैसे क्लासिक बी. ई. एस. आम तौर पर दो खंडों से बना होता है (चित्र 2): एक एनोडिक और एक कैथोडिक खंड जो एक चुनिंदा पारगम्य, प्रोटॉन/कैशन विनिमय झिल्ली या एक नमक पुल द्वारा अलग किया जाता है। एम. एफ. सी. में, एनोडिक खंड में सूक्ष्मजीव होते हैं जो एनोलाइट में अवायवीय स्थितियों में जैव उत्प्रेरक के रूप में काम करते हैं, जहां कैथोडिक खंड में इलेक्ट्रॉन स्वीकारक होता है (जैसे। ऑक्सीजन)। कार्बनिक यौगिकों के ऑक्सीकरण से उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को एनोड तक पहुँचाया जाता है। सूक्ष्मजीवों द्वारा उत्पादित इलेक्ट्रॉनों को सीधे 'नैनोवायर' या बाहरी-झिल्ली प्रोटीन के माध्यम से, या अप्रत्यक्ष रूप से इलेक्ट्रॉन शटल एजेंटों का उपयोग करके एनोड में स्थानांतरित किया जाता है। ये इलेक्ट्रॉन एक बाहरी परिपथ के पार कैथोड तक पहुँचते हैं और संचालित प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के लिए, प्रोटॉन प्रतिक्रिया को पूरा करने और विद्युत प्रवाह को बनाए रखने के लिए कैथोड पर प्रतिक्रिया करते हैं। कई प्रकार के बीईएस रिएक्टर हैं लेकिन मोटे तौर पर वे सभी समान संचालन सिद्धांतों को साझा करते हैं। एक कार्य प्रणाली में तीन बुनियादी तत्वों (एनोड, कैथोड और विभाजक) की असेंबली को अनुकूलित करने के लिए विभिन्न डिजाइन और विन्यास स्थापित किए गए हैं। बी. ई. एस. के प्रदर्शन में उनके डिजाइन के साथ काफी बदलाव आया है। तालिका 1. प्रमुख बी. ई. एस. घटकों और उनके निर्माण के लिए संबंधित सामग्रियों का सारांश दिखाती है। तालिका 1. एम. एफ. सी. अनुप्रयोगों के प्रमुख घटक एम. एफ. सी. के साथ ऊर्जा पुनर्प्राप्ति और उत्पादन अपशिष्ट जल उपचार यह सर्वविदित है कि अपशिष्ट जल उपचार में पंपिंग, वातन और ठोस हैंडलिंग प्रमुख ऊर्जा खपत प्रक्रिया है। एक विशिष्ट अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र में संचालन लागत का 50 प्रतिशत अकेले वातन से हो सकता है। इन लागतों को समाप्त करने से बड़ी मात्रा में ऊर्जा की बचत हो सकती है। अपशिष्ट जल उपचार में एम. एफ. सी., बिजली उत्पादन के अलावा, इन उल्लिखित प्रक्रियाओं से जुड़ी ऊर्जा बचत में भी मदद करते हैं जो एक बड़ा लाभ जोड़ते हैं। एम. एफ. सी. प्रक्रिया एक अवायवीय प्रक्रिया है और एक अवायवीय प्रक्रिया के लिए कीचड़ उत्पादन एक एरोबिक प्रक्रिया के लिए लगभग 1/5 है। इस प्रकार, एम. एफ. सी. का उपयोग एक अपशिष्ट जल उपचार संयंत्र में ठोस उत्पादन को कम कर सकता है, अंततः ठोस हैंडलिंग के लिए महत्वपूर्ण परिचालन लागत को कम कर सकता है। इसके अलावा, इस तकनीक ने इस सदी की शुरुआत से बिजली उत्पादन में लगभग तेजी से वृद्धि देखी है। यह विकास इंजीनियरों द्वारा बढ़ती प्रशंसा को प्रतिध्वनित करता है कि यह तकनीक व्यावहारिक अनुप्रयोगों के रूप में उभरने के लिए तैयार है और संबंधित प्रौद्योगिकियां बहुत जल्द सुर्खियों में आएंगी। एम. एफ. सी. प्रौद्योगिकियों द्वारा अपशिष्ट जल का उपचार एक आशाजनक और फिर भी अनूठी पद्धति है क्योंकि अपशिष्ट जल उपचार की प्रक्रिया ऊर्जा व्यय के बजाय बिजली के रूप में ऊर्जा उत्पादन का एक तरीका बन सकती है। के. आई. एम. द्वारा पानी में लैक्टेट के निर्धारण के लिए एम. एफ. सी. का उपयोग किया गया था। और सहकर्मियों, और बाद में दिखाया कि एक एम. एफ. सी. में बिजली उत्पादन एक औद्योगिक अपशिष्ट जल का उपयोग करके स्टार्च द्वारा बनाए रखा जा सकता है। एम. एफ. सी. में बिजली उत्पादन के लिए शुद्ध यौगिकों से लेकर अपशिष्ट जल में मौजूद कार्बनिक पदार्थों के जटिल मिश्रणों तक विभिन्न प्रकार के सब्सट्रेट का उपयोग किया गया है। अपशिष्ट जल के जैव उपचार के लिए एम. एफ. सी. के अनुप्रयोग ने लगभग 40-90% सी. ओ. डी. और बी. ओ. डी. में कमी के साथ अपशिष्ट जल में कार्बनिक पदार्थों का बिजली में प्रभावी रूपांतरण भी दर्ज किया है। जाहिर है, अपशिष्ट जल से ली जा सकने वाली ऊर्जा एक शहर को बिजली देने के लिए पर्याप्त नहीं है, लेकिन यह एक उपचार संयंत्र चलाने के लिए पर्याप्त हो सकती है। निरंतर प्रगति के साथ, इस शक्ति को प्राप्त करने से अपशिष्ट जल अवसंरचना की ऊर्जा स्थिरता हो सकती है। बेन्थिक एम. एफ. सी. बेन्थिक एम. एफ. सी. अनाक्सिक समुद्री तलछट में कार्बनिक सब्सट्रेट के माइक्रोबियल ऑक्सीकरण के माध्यम से बिजली उत्पन्न करते हैं और साथ ही ऊपर के जल स्तंभ में ऑक्सीजन की कमी होती है। विभिन्न तलछटों में प्राकृतिक रूप से पाए जाने वाले सूक्ष्मजीवों के चयापचय से इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। इस प्रकार, बेंथिक एम. एफ. सी. में किसी भी बाह्य सूक्ष्मजीव या इलेक्ट्रॉन शटल को जोड़ने की आवश्यकता नहीं होती है। वेदर बॉयज़ ने अपनी पूरी शक्ति बेंथिक एम. एफ. सी. से प्राप्त की, जिससे वे बैटरी को बदलने की आवश्यकता से लगातार और स्वतंत्र रूप से काम कर सकते थे। बेंथिक एम. एफ. सी. को बिजली उत्पादन में कोई कमी किए बिना कई वर्षों तक संचालित किया जा सकता है। शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया कि एक बेंथिक एम. एफ. सी. समान बिजली स्तरों पर अनिश्चित काल तक बिजली प्रदान कर सकता है और एक गहरे समुद्र की शक्ति और प्रकाश संलग्न लीड एसिड बैटरी के समान लागत एक वर्ष तक प्रदान कर सकती है। नाइट्रोजन और फास्फोरस को अपशिष्ट जल में प्रमुख प्रदूषक माना जाता है, जिन्हें स्थायी उपचार प्रणालियों के लिए हटाने और पुनर्प्राप्त करने की आवश्यकता होती है। नाइट्रोजन को पारंपरिक रूप से जैविक नाइट्रिफिकेशन और डिनाइट्रिफिकेशन प्रक्रियाओं द्वारा हटा दिया जाता है जिसमें अपशिष्ट जल उपचार में बहुत अधिक ऊर्जा और लागत शामिल होती है। बी. ई. एस. में नाइट्रोजन से भरपूर अपशिष्ट धाराओं जैसे मूत्र, सुअर की शराब, डाइजेस्टर शराब और लैंडफिल लीचेट आदि से अच्छे लाभ के साथ अमोनियम नाइट्रोजन की वसूली की अच्छी क्षमता है। अपशिष्ट जल से फॉस्फोरस को पारंपरिक रूप से पॉलीफॉस्फेट कणिकाओं, फ़े-पी या स्ट्रुवाइट के रूप में बैक्टीरिया द्वारा पुनर्प्राप्त किया जाता है। क्यूसिक एट अल। एकल-कक्ष एम. ई. सी. को नियोजित करके बी. ई. एस. में स्ट्रुवाइट उत्पादन हासिल किया गया, जहां 40 प्रतिशत तक घुलनशील फॉस्फेट को 0.3-0.9 ग्राम/एम. 2/घंटा की दर से स्ट्रुवाइट वर्षा द्वारा पुनर्प्राप्त किया गया था। बी. ई. एस. में अन्य फॉस्फोरस पुनर्प्राप्ति में अपशिष्ट जल से फॉस्फेट आयनों के साथ कैथोड प्रतिक्रिया से उत्पन्न हाइड्रॉक्साइड आयनों का आदान-प्रदान शामिल था, जिसके परिणामस्वरूप 52.4 ± 9.8% फॉस्फेट को हटा दिया गया। माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकेमिकल रेमेडिएशन बी. ई. एस. भूमिगत दूषित पदार्थों के उपचार के लिए ऑक्सीकरण और कमी-आधारित प्रक्रियाओं दोनों के लिए जाने जाते हैं। पारंपरिक जैविक उपचार या रासायनिक प्रक्रियाओं की तुलना में, बी. ई. एस. एक या कई इलेक्ट्रोड का उपयोग करते हैं जो प्रदूषकों के उपचार के लिए बंद रिएक्टर नहीं हैं। इस प्रणाली में ठोस इलेक्ट्रोड प्रदूषकों के सूक्ष्मजीव परिवर्तन को गैर-विषाक्त या कम विषाक्त रूपों में उत्तेजित करने के लिए गैर-विलुप्त इलेक्ट्रॉन स्वीकारकर्ताओं/दाताओं के रूप में काम करते हैं। उदाहरण के लिए, सहवर्ती जैव-विद्युत के साथ विषाक्त पदार्थों के जैव-अपघटन को बढ़ाना उत्पादन हो सकता है। जटिल पेट्रोलियम कार्बनिक, जैसे बी. टी. ई. एक्स. परिसर (बेंजीन, टोल्यून, ज़ाइलीन और एथिलबेन्ज़िन, आदि)। बी. ई. एस. प्रणालियों का उपयोग करके जैव उपचार किया जा सकता है। मॉरिस और अन्य ने बताया कि डीजल (C8-C25) के क्षरण में बिना बिजली इनपुट के इलेक्ट्रोड पेश करके 164% द्वारा सुधार किया गया था। बायोडीजल, फिनोल, कुल पेट्रोलियम हाइड्रोकार्बन, पॉलीसाइक्लिक एरोमेटिक हाइड्रोकार्बन (पी. ए. एच.), 1,2-डाइक्लोरोएथेन, पाइरिडिन आदि पर जांच में यह भी कहा गया है कि बी. ई. एस. को मान्य करने का उपयोग पेट्रोलियम हाइड्रोकार्बन को एक साथ वर्तमान पीढ़ी के साथ कम करने के लिए एक व्यावहारिक तकनीक के रूप में किया जा सकता है। उच्च विषाक्तता या कार्सिनोजेनिक प्रकृति के लिए जाने जाने वाले ट्राइक्लोरोएथीन और टेट्राक्लोरोएथीन जैसे क्लोरीनयुक्त सॉल्वैंट्स को नकारात्मक ध्रुवीकृत ठोस-अवस्था इलेक्ट्रोड का उपयोग करके खराब होने की सूचना मिली है जो इलेक्ट्रॉन शटल के साथ और बिना इलेक्ट्रॉनों का दान करते हैं। नाइट्रेट को हटाना, एक सामान्य भूजल संदूषक, या तो अकेले [सेकोनेट, 2018 #9] या आर्सेनाइट जैसे अन्य सह-संदूषकों के साथ संयोजन में भी प्रदर्शित किया गया है। पारंपरिक डिनाइट्रिफिकेशन की तुलना में जिसमें हेटेरोट्रॉफिक डिनाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया शामिल हैं, बीईएस द्वारा डिनाइट्रिफिकेशन में ऑटोट्रॉफिक डिनाइट्रिफाइंग बैक्टीरिया शामिल हैं जिनमें इलेक्ट्रोड से इलेक्ट्रॉनों को लेने की क्षमता होती है। नतीजतन, बी. ई. एस. में बायोकैथोड को निर्जलीकरण के लिए विकसित किया गया है जिसके परिणामस्वरूप भूजल और अपशिष्ट जल में कम ऊर्जा लागत पर नाइट्रेट/नाइट्राइट की कुशल कमी होती है। अन्य अध्ययनों में, इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कैथोड के साथ बी. ई. एस. में परक्लोरेट, सी. आर. (VI), सी. यू. (II) और रेडियोधर्मी यूरेनियम की कमी भी हासिल की गई है। घुलनशील इलेक्ट्रॉन दाता के बजाय एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में एक ठोस इलेक्ट्रोड के उपयोग से जुड़ा प्रमुख लाभ संदूषक (जैसे, यू (VI) से यू (IV)) की कमी है जो इलेक्ट्रोड पर एक स्थिर अवक्षेप है। बी. ई. एस. का उपयोग करके न केवल भूजल बल्कि मिट्टी के जैव उपचार का भी पता लगाया गया है। उदाहरण के लिए, यह मिट्टी में जड़ी-बूटियों और एंटीबायोटिक दवाओं की सफल सफाई का प्रदर्शन किया गया है। रसायन एम. ई. एस. का सूक्ष्मजीव विद्युत रासायनिक उत्पादन, एक प्रकार का बी. ई. एस., सूक्ष्मजीवों को कैथोडिक उत्प्रेरक के रूप में नियोजित करके ईंधन और उच्च मूल्य वाले रसायनों के संश्लेषण को चलाने के लिए बिजली का उपयोग कर सकता है, जिसके परिणामस्वरूप अपशिष्ट धाराओं का उपचार भी होता है (चित्र। 3)। इस प्रणाली से जुड़े दोहरे लाभ कार्बन पृथक्करण और मूल्य वर्धित रसायन उत्पादन हैं। एमईएस द्वारा मूल्यवान यौगिकों की एक विस्तृत श्रृंखला का उत्पादन किया गया है, जैसे कि एच2, एसीटेट, सीएच4, इथेनॉल, ब्यूटेनॉल, एच2ओ2, आदि। एम. ई. एस. में उत्पाद स्पेक्ट्रम काफी हद तक बायोकैथोड सामग्री (कार्बन-या धातु-आधारित), शामिल सूक्ष्मजीवों, कमी क्षमता और रेडॉक्स मध्यस्थ गतिविधि, और पी. एच., तापमान और दबाव सहित संचालन स्थितियों द्वारा नियंत्रित होता है। कैथोड में हाइड्रोजन का उत्पादन सुनिश्चित करने के लिए मिश्रित संवर्धनों के साथ टीका लगाए गए एम. ई. एस. पर आम तौर पर-0.6 और-1.0 वी बनाम एस. एच. ई. के बीच की क्षमताओं को लागू किया जाता है, जिसे बाद में कार्बन डाइऑक्साइड को कम करने के लिए एसिटोजेनिक और मेथेनोजेनिक सूक्ष्मजीवों द्वारा ग्रहण किया जाता है। स्पोरोमुसा जैसे विशिष्ट सूक्ष्मजीवों के लिए कम नकारात्मक क्षमता पर कार्बन डाइऑक्साइड में कमी, यहां तक कि-4 वी बनाम एस. एच. ई. की सैद्धांतिक क्षमता से भी अधिक, का प्रदर्शन किया गया है, हालांकि अभी भी इस बात पर बहस की जा रही है कि क्या इसका श्रेय कैथोड से प्रत्यक्ष इलेक्ट्रॉन ग्रहण को दिया जाता है या इलेक्ट्रोड की सतह पर अनुकूल ऊष्मागतिकी को। एमईएस पर अधिकांश अध्ययन परिवेश (लगभग 20 डिग्री सेल्सियस) या मेसोफिलिक (लगभग 35 डिग्री सेल्सियस) के तहत किए गए हैं, लेकिन प्रक्रिया को थर्मोफिलिक स्थितियों (50-70 डिग्री सेल्सियस) के तहत संभव दिखाया गया था। तटस्थ या थोड़ा अम्लीय पीएच (5.5-7.0) को एसिटिक एसिड में CO2 रूपांतरण के लिए इष्टतम दिखाया गया था, हालांकि कम पीएच, या ब्रोमोइथेन सल्फोनिक एसिड (बीईएसए) जैसे अवरोधकों का उपयोग, मेथेनोजेनेसिस की शुरुआत से बचने के लिए आवश्यक है। एम. ई. एस. से प्राप्त रासायनिक यौगिकों का उपयोग पॉलीमेरिक उत्पादों, डीजल या मिट्टी के तेल जैसे उत्पादों, प्लास्टिसाइज़र और कई उद्योगों में स्नेहक एजेंटों के रूप में डाउनस्ट्रीम औद्योगिक उत्पादों के उत्पादन के लिए अग्रदूत के रूप में किया जा सकता है। आकृति. 3. अपशिष्ट धाराओं के उपचार और उच्च मूल्य वाले उत्पादों के निर्माण को दर्शाने वाली एम. ई. एस. की योजनाएँ। कई कार्बनिक यौगिक जैसे एसीटेट, ब्यूटाइरेट और लैक्टेट, बड़े पैमाने पर अपशिष्ट जल संयंत्रों और किण्वन इकाइयों के अपशिष्टों में मौजूद होते हैं। ये कार्बनिक मूल्यवान उत्पाद हैं, लेकिन उनकी कम सांद्रता के कारण, निष्कर्षण एक लागत प्रभावी विकल्प नहीं है। इसलिए, एम. ई. एस. को इन लघु-श्रृंखला कार्बोक्जिलिक एसिडों को लंबी श्रृंखला एसिड और अन्य उपयोगी उत्पादों में परिवर्तित करने के लिए नियोजित किया गया है। यद्यपि कम संसाधन लागत फीड से उच्च मूल्य वाले यौगिक प्राप्त किए जा सकते हैं, लेकिन अध्ययनों की तुलना करने की आवश्यकता है कि क्या वर्तमान प्रौद्योगिकियों की तुलना में रेडॉक्स क्षमता को नियंत्रित करना और कैथोड को धारा की आपूर्ति करना आर्थिक रूप से संभव है। फिर भी, इस प्रौद्योगिकी मंच में और सुधार भविष्य की जैव अर्थव्यवस्था की कई बुनियादी चुनौतियों पर काबू पाने में मदद कर सकते हैं। एच2 के उत्पादन के लिए माइक्रोबियल इलेक्ट्रोलिसिस जब हाइड्रोजन उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है, तो सभी कार्बनिक पदार्थों को कार्बन डाइऑक्साइड और हाइड्रोजन गैस में बदलने की ऊर्जा बाधा को पार करने के लिए एम. ई. सी. को बाहरी ऊर्जा स्रोत द्वारा पूरक करने की आवश्यकता होती है। एक मानक एम. एफ. सी. को कैथोड में 0.14 वी. से अधिक हाइड्रोजन के बुलबुले बनाकर हाइड्रोजन उत्पादक एम. ई. सी. में परिवर्तित किया जाता है और ईंधन स्रोत के रूप में उपयोग करने के लिए एकत्र किया जाता है। यद्यपि सामान्य एम. एफ. सी. में उत्पन्न होने के बजाय बिजली का उपयोग किया जाता है, हाइड्रोजन के उत्पादन की यह विधि कुशल है क्योंकि एनोड में बैक्टीरिया द्वारा उत्पन्न 90 प्रतिशत से अधिक प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन हाइड्रोजन गैस में बदल जाते हैं। एम. एफ. सी. की अंतर्निहित कम शक्ति विशेषता को दूर करने के लिए हाइड्रोजन को बाद में उपयोग के लिए जमा और संग्रहीत किया जा सकता है। माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकेमिकल बायोगैस का सीएच4 में उन्नयन माइक्रोबियल इलेक्ट्रोकेमिकल रिडक्शन की अवधारणा में कार्बन डाइऑक्साइड का रूपांतरण शामिल है जो अवायवीय डाइजेस्टर में उत्पादित बायोगैस का गैर-ऊर्जा-समृद्ध घटक है और मीथेन के ऊर्जा-समृद्ध घटक में परिवर्तित होता है। यह कमी एम. ई. एस. में कार्बन डाइऑक्साइड, प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉनों (बिजली से) के बीच रासायनिक प्रतिक्रिया के माध्यम से संभव है। इसे अन्यथा पावर-टू-गैस तकनीक के रूप में जाना जाता है, जो विद्युत रासायनिक इकाइयों को औद्योगिक अपशिष्ट और अधिक महत्वपूर्ण रूप से औद्योगिक CO2 उत्सर्जन के लिए कार्बन सिंक के रूप में कार्य करने की अनुमति देता है। पावर-टू-गैस तकनीक संभावित रूप से प्राकृतिक गैस के समान ग्रेड के साथ बायोगैस उत्पन्न करती है, जिसमें अमाइन स्क्रबिंग या प्रेशर स्विंग एडसोर्प्शन जैसी महंगी तकनीकों का उपयोग करके CO2 को हटाने की आवश्यकता नहीं होती है। जल विलवणीकरण समुद्री जल और पीने के पानी के लिए उपयोग किए जाने वाले खारे पानी के विलवणीकरण ने हमेशा महत्वपूर्ण समस्याएं प्रस्तुत की हैं क्योंकि पानी से घुलनशील लवणों को हटाने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा है। एक अनुकूलित एम. एफ. सी. का उपयोग करके, यह प्रक्रिया बिना किसी बाहरी विद्युत ऊर्जा निवेश के आगे बढ़ सकती है। जब एक मानक एम. एफ. सी. के दो इलेक्ट्रोड के बीच एक तीसरा कक्ष जोड़ा जाता है और इसे समुद्री पानी से भरा जाता है, तो कोशिका के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड क्रमशः सकारात्मक और नकारात्मक नमक आयनों को आकर्षित करते हैं, और नमक को अर्ध-पारगम्य झिल्ली का उपयोग करके समुद्र के पानी से फ़िल्टर किया जा सकता है। प्रयोगशाला कार्य में नमक हटाने की क्षमता 90 प्रतिशत तक दर्ज की गई है। बायोसेंसर एम. एफ. सी. के जैविक अपशिष्ट उपचार इकाई की निगरानी और नियंत्रण में अनुप्रयोग हैं क्योंकि एम. एफ. सी. की कूलोम्बिक उपज और अपशिष्ट जल में कार्बनिक पदार्थों की ताकत के उनके सहसंबंध के कारण जो बायोसेंसर के लिए रीडिंग के रूप में कार्य करता है। सूक्ष्मजीव शेवानेला पर आधारित प्रणालियाँ सीवेज में जैविक ऑक्सीजन की माँग की मात्रा निर्धारित करने के लिए संवेदक के रूप में वचन दिखाती हैं। इस अवधारणा को आसानी से अन्य यौगिकों का पता लगाने के लिए विस्तारित किया जा सकता है जो बिजली उत्पादन के लिए इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कार्य कर सकते हैं, जैसे कि हाइड्रोजन या सुगंधित संदूषक। इसके अलावा, इस तरह के संवेदक नदियों में विषाक्त पदार्थों के संकेतक के रूप में, अपशिष्ट जल उपचार संयंत्रों के प्रवेश द्वार पर, प्रदूषण या अवैध डंपिंग का पता लगाने के लिए, या प्रदूषित स्थलों पर शोध करने के लिए बेहद उपयोगी हो सकते हैं। सूक्ष्म-इलेक्ट्रॉनिक्स और संबंधित विषयों के विकास के साथ इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बिजली की आवश्यकता में भारी कमी आई है। एम. एफ. सी. कम शक्ति वाले संवेदक चला सकते हैं जो दूरदराज के क्षेत्रों से डेटा एकत्र करते हैं। अवायवीय बैक्टीरिया जो प्राकृतिक रूप से तलछट में बढ़ते हैं, वे छोटे प्रवाह का उत्पादन करते हैं जिसका उपयोग संवेदक के लिए ऊर्जा संग्रहीत करने के लिए एक संधारित्र को चार्ज करने के लिए किया जा सकता है। पारंपरिक बैटरी के बजाय रिमोट सेंसिंग में एम. एफ. सी. का उपयोग करने का एक प्रमुख लाभ यह है कि बैक्टीरिया प्रजनन करते हैं, जिससे एम. एफ. सी. को पारंपरिक बैटरी की तुलना में काफी लंबा जीवनकाल मिलता है। इस प्रकार संवेदक को बिना रखरखाव के कई वर्षों तक दूरदराज के क्षेत्र में अकेला छोड़ा जा सकता है। इस प्रभाव के लिए विश्वसनीय एम. एफ. सी. विकसित करने की दिशा में व्यापक शोध, ज्यादातर उपयुक्त कार्बनिक और अकार्बनिक पदार्थों के चयन पर केंद्रित है जिनका उपयोग ऊर्जा के स्रोतों के रूप में किया जा सकता है। माइक्रोबियल वर्तमान उत्पादन बायोफिल्म या अपशिष्ट जल-आधारित महामारी विज्ञान के लिए दवा की जांच के लिए बायोइलेक्ट्रोकैमिकल सेंसर पर भी लागू होता है। जियोबैक्टर बैक्टीरियल नैनोवायर्स एक्सोइलेक्ट्रोजन बायोइलेक्ट्रोकैमिकल रिएक्टर संदर्भ बायोफिजिक्स भी देखें।