Microbiële brandstofcellen

PWS
Microbiële brandstofcellen
Elektriciteit maken met de omzetting van suikers
door bacteriën
Eerste begeleider:
Tweede begeleider:
Michel Romeijn
Mario Cioffi
Ezra Bekkering en Floran Brinkman
Praedinius Gymnasium
14-12-2016
MFC’s: batterijen van bacteriën
Voorwoord
Voor ons begon dit verhaal vorig jaar met een heleboel gebrainstorm. Na lange tijd brainstormen kwamen
twee plannen naar boven als onderwerp voor ons PWS (profielwerkstuk). Het eerste plan was om te kijken
of het mogelijk is om resistente bacteriën te maken, en vervolgens onderzoek te doen naar de hoeveelheid
generaties die het kweken van een dergelijke bacterie zou kosten en hoe snel welke eigenschappen naar
boven zouden komen. Door een tekort aan mogelijkheden zonder laboratorium is dit plan het uiteindelijk
niet geworden en is gekozen voor het andere plan, namelijk het maken van een Microbial Fuel Cell (MFC),
ofwel een microbacteriële brandstofcel. Het idee kwam grofweg van de EUSO (European Union Science
Olympiad), waar Ezra met dit principe gewerkt heeft. Na een beetje meer onderzoek bleek het een heel
leuk en interessant onderwerp te zijn. Daarom besloten we om binnen dit thema iets onbekends te
onderzoeken.
Onze voorlopige onderzoeksvraag was dan ook om een zo efficiënt mogelijke MFC te ontwerpen, wat
relatief goed uitvoerbaar zou zijn. Meteen kwam het idee naar boven om een proefopstelling te maken met
aarde en twee elektrodes; dit was de eerste succesvolle meting! Via een aantal professoren kwam
uiteindelijk Tom Sleutels naar voren. Hij is scientific project manager bij Wetsus, een bedrijf dat is
gespecialiseerd in duurzame watertechnologie. Via Tom kregen we een aantal achtergrondartikelen met
betrekking tot MFC’s; na deze artikelen gelezen te hebben, was het mogelijk een Skypegesprek met hem te
houden. Hier hebben wij veel van opgestoken en wij hebben een beetje nagedacht over het onderwerp
tijdens de zomervakantie. De zomervakantie ging voorbij en daarna werd hier en daar wat geschaafd aan
de onderzoeksvraag, om tijdgebrek en dergelijke te voorkomen. Ook werd een uitgebreide planning
opgesteld.
Toen we dat allemaal gedaan hadden, kon uiteindelijk begonnen worden aan het praktische deel van het
onderzoek. Dit bestond kortweg uit het kweken van bacteriën, het maken van de opstellingen van de MFC’s
en het meten hiervan. Aan dit praktische gedeelte is een hoop tijd besteed, omdat een aantal dingen niet
geheel volgens plan verliepen en omdat een aantal dingen aan de opstelling goed en zo precies mogelijk
moesten gebeuren.
In deze tijd heeft een aantal mensen ons geweldig geholpen. Allereerst onze begeleiders, Michel Romeijn
en Mario Cioffi: zij hebben ons door dit onderzoek heen geholpen. We konden altijd bij ze terecht, niet
alleen voor de sleutel van het practicumlokaal, maar ook voor elk advies dat we nodig hadden. Ze hebben
ons fantastisch geholpen met alles waar we tegenaan liepen en ons adviezen gegeven op alle fronten.
Natuurlijk willen wij ook Tom Sleutels bedanken; hij heeft ons veel nuttige informatie en artikelen gegeven
en gaf ons altijd goed antwoord op elke vraag die wij hadden. We zijn hem heel dankbaar voor het skypen,
het snelle terugmailen en het fijne geduld waarmee hij onze vragen heeft beantwoord. Tevens willen wij
Eelke de Jong bedanken van de Rijkswaterstaat (Noorderzijlvest) voor de informatie die hij ons heeft
verschaft omtrent de samenstelling van afvalwater en de zuivering. Ook gaat veel dank uit naar de
Rijksuniversiteit Groningen, in het bijzonder het Bètasteunpunt, voor het beantwoorden van onze vragen,
en Johan Kuiper, van wie we vloeibare stikstof konden krijgen.
De gehele sectie Biologie van het Praedinius Gymnasium heeft ons heel prettig geholpen door bijvoorbeeld
een korte vraag te beantwoorden. Dat geldt bij uitstek voor de TOA biologie, mevrouw Mulder, die ons veel
heeft begeleid tijdens ons praktisch onderzoek in het practicumlokaal en ons vele faciliteiten beschikbaar
heeft gesteld. Allen bedankt daarvoor. Ook de sectie Scheikunde van het Praedinius Gymnasium mag niet
ontbreken, de geïnteresseerde en leidende vragen hebben ons goed verder geholpen, en ook de beide
TOA’s, mevrouw Wieringa en mevrouw Janse, hielpen ons altijd graag als wij welke stof dan ook nodig
hadden, en ook bij het gebruik van deze stoffen. Wij zijn ze hier zeer dankbaar voor. Als laatsten willen wij
graag onze ouders bedanken voor de adviezen bij bijvoorbeeld het schrijven van mailtjes en het helpen bij
sommige vraagstukken. We hebben veel geleerd van dit hele proces en er ook veel plezier aan beleefd!
Heel veel plezier toegewenst bij het lezen van dit verslag, wij hopen dat u er wat van opsteekt.
Ezra Bekkering en Floran Brinkman
1
MFC’s: batterijen van bacteriën
Inhoudsopgave
Samenvatting........................................................................................................................................... 3
1. Inleiding ............................................................................................................................................... 4
2. Onderzoeksvraag ................................................................................................................................. 4
3. Theorie................................................................................................................................................. 5
3.1 Batterijen ....................................................................................................................................... 5
3.2 Bacteriën ....................................................................................................................................... 8
3.2.2 Biofilm ........................................................................................................................................ 8
3.3 Van sacharide tot stroom ............................................................................................................ 10
3.4 Microbiële brandstofcellen ......................................................................................................... 12
3.5 Sachariden ................................................................................................................................... 20
3.6 Afvalwater ................................................................................................................................... 24
4. Hypothese.......................................................................................................................................... 26
5. Materiaal en methode....................................................................................................................... 27
5.1 Materiaal ..................................................................................................................................... 27
5.2 Methode ...................................................................................................................................... 30
6. Resultaten.......................................................................................................................................... 39
6.1 P,t-diagram .................................................................................................................................. 39
6.2 Potentiaal- en vermogenscurves ................................................................................................. 40
7. Conclusie ........................................................................................................................................... 61
8. Discussie en vervolgonderzoek ......................................................................................................... 63
9. Nawoord ............................................................................................................................................ 74
Bronnen ................................................................................................................................................. 75
Bijlage 1 ................................................................................................................................................. 76
Bijlage 2 ................................................................................................................................................. 78
Bijlage 3 ................................................................................................................................................. 84
2
MFC’s: batterijen van bacteriën
Samenvatting
De onderzoeksvraag waar dit onderzoek om draait, luidt:
Wat is de beste sacharide (van de volgende: glucose, fructose, lactose, sacharose en zetmeel) voor het
beste vermogen uit een MFC die werkt op synthetisch afvalwater en die gekatalyseerd wordt door
een combinatie van bacteriën uit wadmodder (van Schiermonnikoog), tuinmodder (uit Niekerk,
gemeente Grootegast) en grachtwater (uit de binnengracht van Groningen)?
De hypothese was dat fructose het hoogste vermogen zou geven. Het vermoeden was namelijk dat
monosachariden beter zouden zijn dan di- en polysachariden, aangezien deze laatste twee eerst
moesten worden afgebroken tot monosachariden door de bacteriën. Verder bleek uit berekeningen
dat fructose een hoger voltage zou geven dan glucose en waarschijnlijk dus ook een beter vermogen.
Er is dus geprobeerd om uit te vinden wat de beste sacharide is voor de bacteriën in een microbiële
brandstofcel (microbial fuel cell, afgekort tot MFC). Een MFC is een batterij die werkt met elektronen
die zijn vrijgemaakt door bacteriën uit (an)organisch materiaal.
Als eerste moest veel achtergrondinformatie over MFC’s worden opgezocht, waardoor het
eenvoudiger was om te bedenken hoe een dergelijke opstelling er zou moeten uitzien, en waaraan de
test en de resultaten ongeveer moesten voldoen. Vervolgens zijn de benodigde materialen verzameld
en getest op hun functie. Hieruit kwam een aantal problemen die verholpen moesten worden.
Vervolgens was het mogelijk om te beginnen met het opstellen van de MFC’s. Na een medium met
bacteriën (uit grachtwater en modder) en voedingsstoffen acht dagen te laten staan, is dit medium
gebruikt als bacteriehoudende stof in de MFC’s. Deze MFC’s werden dus gevuld met een klein beetje
van dit basismedium en aangevuld met ander medium. Er waren zes verschillende media: vijf hadden
verschillende sachariden, en er was een controletest zonder sacharide. Elk medium werd in twee
verschillende MFC’s gegoten: een test en een duplotest.
Deze sachariden werden gebruikt om als reductor (elektronenafgifte) in de opstelling te functioneren.
De bacteriën bevonden zich samen met de sachariden in een bekerglas, dat met twee elektrodes en
een zoutbrug was verbonden aan een ander bekerglas. In dat andere bekerglas bevond zich een
oxidator (elektronenopname). Door de loop van elektronen van de elektrode in het bekerglas met de
reductor (anode) naar de elektrode in het bekerglas met de oxidator (kathode) en de loop van ionen
door de zoutbrug, ontstaat in een dergelijke opstelling een stroomkring. De opstelling functioneert dus
als een batterij.
Door de spanning over de testopstellingen te meten was het mogelijk om de stroomsterkte en zo het
vermogen te berekenen. Door alle opstellingen op hetzelfde moment te meten is een aantal resultaten
uit het onderzoek naar voren gekomen: een van de opstellingen met zetmeel als toegevoegde
sacharide had het hoogste maximale vermogen, de duplo van deze opstelling had echter een van de
laagste maximale vermogens. De echte test en de duplotest van glucose en fructose leken als enige in
het hele onderzoek op elkaar en hadden een redelijke waarde. Glucose en fructose leken qua maximaal
vermogen ook erg op elkaar, al was glucose (rekening houdend met de hogere interne weerstand) iets
beter. De testopstellingen met lactose gaven beiden een zeer willekeurige waarde.
De conclusie die vervolgens getrokken is, is dan ook dat niet met zekerheid te zeggen is wat de beste
sacharide is. Wel is duidelijk dat glucose en fructose behoorlijk stabiel waren, en dat van deze twee
sachariden glucose waarschijnlijk de beste is.
Een aantal dingen in dit onderzoek zijn niet helemaal gelopen zoals het had gemoeten, wat eventueel
een verklaring kan geven voor de grote verschillen in de resultaten. Grote verschillen in de interne
weerstand, energieverliezen, gebrekkig materiaal en een manier van meten waardoor sommige
metingen verkeerd gingen, hebben de meeste invloed gehad op de resultaten.
3
MFC’s: batterijen van bacteriën
1. Inleiding
De opwarming van de aarde is een groot probleem: klimaatverandering en het stijgen van de
zeespiegel zijn twee van de gevolgen. Dit wordt veroorzaakt door het stijgen van de concentratie
broeikasgassen (waaronder CO2 en CH4) in de atmosfeer; in de laatste eeuw was er zelfs een verhoging
van de concentratie CO2 van 275 tot 375 ppm (zie bron 1; in het vervolg worden bronverwijzingen als
volgt aangegeven: (1)). Deze stijging wordt voor een groot deel door ons mensen veroorzaakt,
bijvoorbeeld door het veelvuldig gebruiken van fossiele brandstoffen zoals aardolie, steenkool en
aardgas. De belangrijke klimatoloog Dr. James Hansen heeft gezegd dat voor het goed behouden van
onze planeet zoals we die nu kennen, deze concentratie maximaal 350 ppm moet zijn. De concentratie
CO2 moet dus dalen!
Gelukkig zien steeds meer mensen de gevolgen van de aardopwarming in en wordt steeds meer
gebruikgemaakt van ‘groene energie’: energie opgewekt uit hernieuwbare, schone bronnen. Veel
mensen denken dan aan zonne- en windenergie, sommige mensen weten ook dat kern-, biomassa-,
aardwarmte-, golf-, waterkracht- en ‘blauwe’ energie hierbij horen. Maar van bacterie-energie hebben
velen nog nooit gehoord. Bacterie-energie – om preciezer te zijn energie verkregen uit een microbiële
brandstofcel (microbial fuel cell, hierna afgekort tot MFC) – behoort tot de categorie biomassa-energie.
Een MFC maakt stroom op dezelfde manier als een batterij: er wordt stroom (een loop van elektronen)
gemaakt doordat één stof gebruikt wordt om elektronen te doneren en een andere stof wordt gebruikt
om deze elektronen op te nemen. In het geval van een MFC is de stof waaruit de elektronen vrijkomen
een koolstofbron. De elektronen uit deze stof worden vrijgemaakt door bacteriën. Deze fungeren dus
als katalysator.
Er wordt momenteel veel onderzoek gedaan naar MFC’s, al zijn ze nog niet erg bekend onder het
publiek. Dat bij het afbreken van biomassa elektrische processen een rol spelen werd voor het eerst
beschreven in 1912 door M.C. Potter in zijn artikel Electrical Effects Accompanying the Decomposition
of Organic Compounds. Er zijn nu, zo’n 100 jaar en vele onderzoeken later, nog steeds een heleboel
problemen die moeten worden overwonnen voordat MFC’s in de praktijk kunnen worden gebruikt.
Het grootste probleem is dat de energie die in de MFC kan worden opgewekt veel lager is dan de
energie die een chemische batterij van hetzelfde formaat zou kunnen opwekken. In dit onderzoek
wordt geprobeerd te achterhalen welke sacharide het beste vermogen levert in een MFC.
2. Onderzoeksvraag
De onderzoeksvraag luidt: A
Wat is de beste sacharide (van de volgende: glucose, fructose, lactose, sacharose en zetmeel) voor het
beste vermogen uit een MFC die werkt op synthetisch afvalwater en die gekatalyseerd wordt door
een combinatie van bacteriën uit wadmodder (van Schiermonnikoog), tuinmodder (uit Niekerk,
gemeente Grootegast) en grachtwater (uit de binnengracht van Groningen)?
De deelvragen die hiervoor eerst moesten worden uitgezocht, luiden:
1. Hoe werkt een MFC?
2. Wat is de maximale theoretische spanning die een MFC kan geven als sachariden met de
gebruikte concentraties (0,1 g/L) worden gebruikt?
3. Waaruit bestaat afvalwater?
A
De originele onderzoeksvraag waarop de methode is gebaseerd, luidt: Wat is de beste combinatie van bacteriën
en hun koolstofbron voor het beste vermogen uit een MFC die werkt op afvalwater?
Het bleek niet mogelijk i.v.m. de faciliteiten om deze onderzoeksvraag volledig te kunnen beantwoorden.
Daarom moest de vraag worden bijgesteld, wat ten koste gaat van de kwaliteit van de methode.
4
MFC’s: batterijen van bacteriën
3. Theorie
Voordat aan het praktisch onderzoek kon worden begonnen, moest eerst theoretisch onderzoek
worden gedaan. Dit is gedaan met behulp van wetenschappelijke artikelen (van het internet en
verkregen via Tom Sleutels), boeken en internet.
De drie deelvragen zullen zo goed mogelijk worden beantwoord in het volgende stuk. Voordat de
eerste deelvraag kan worden beantwoord – hoe werkt een MFC? – is enige basiskennis nodig over
batterijen en bacteriën. Zo moet eerst worden uitgelegd hoe een batterij in elkaar zit en hoe de
werking van de batterij kan worden beschreven. Daarnaast moet worden uitgelegd wat een bacterie
eigenlijk is, welke verschillende leefomstandigheden er zijn voor bacteriën, en hoe bacteriën
sachariden afbreken. Sacharide is een verzamelnaam voor suikers en bijvoorbeeld ook zetmeel. In dit
onderzoek zal het woord ‘sacharide’ vaker terugkomen als verwijzing naar de gebruikte
koolstofbronnen. Daarna zal worden verteld hoe een MFC in elkaar zit, hoe deze effectiever gemaakt
kan worden (waarmee rekening moet worden gehouden bij het opstellen van een onderzoeksplan) en
hoe deze geanalyseerd kan worden.
Daarna zullen voor de tweede deelvraag de sachariden eerst worden toegelicht. Vervolgens zal deze
vraag worden beantwoord. In dit onderzoek wordt namelijk ingegaan op het effect van deze
sachariden op het functioneren van MFC’s als deze stoffen worden gebruikt als energiebron voor de
bacteriën.
Als laatste zal de derde deelvraag worden behandeld, de vraag over afvalwater. Aangezien het
onderzoek gedaan is met een MFC die werkt op synthetisch afvalwater, moest eerst worden bepaald
wat in dit synthetisch afvalwater aanwezig moet zijn om zo dicht mogelijk bij de realiteit te blijven. Ook
zal een MFC in de toekomst misschien afvalwater kunnen zuiveren. Daarom zal ook worden
beschreven hoe afvalwater nu wordt gezuiverd en welke stappen niet nodig zouden zijn als de MFC’s
in de praktijk zouden werken.
3.1 Batterijen (2)
MFC’s zijn speciale batterijen. Daarom is het heel belangrijk om eerst wat meer over batterijen te
weten te komen. Een batterij is een voorwerp waarin energie kan worden opgeslagen. Door middel
van een redoxreactie worden vrijgemaakte elektronen van de ene naar de andere pool van de batterij
geleid, als deze polen met elkaar in verbinding staan. Door deze stroom van elektronen is het mogelijk
om elektrische apparatuur te laten werken. Batterijen komen in allerlei verschillende soorten en maten
voor, ze kunnen dan ook verschillende vermogens leveren. Een batterij is handig door de
hanteerbaarheid: het apparaat hoeft niet constant aan het stroomnet te liggen voor stroom. Batterijen
worden dan ook gebruikt in veel draagbare apparaten, zoals mobieltjes en afstandsbedieningen, maar
ook in grotere ‘apparaten’, zoals in het geval van een autoaccu.
3.1.1 Oxidator en reductor (2)
Voor het werken van een batterij is het belangrijk dat ergens elektronen vandaan komen en dat ze
ergens weer worden opgenomen. Als dit het geval is, blijven de elektronen lopen en bestaat dus een
stroomkring. Elektronen zijn negatief geladen; ze stromen dan ook altijd van een plek waar een
overschot is aan elektronen (deze plek is negatief geladen) naar een plek met minder elektronen. Die
is in vergelijking met de negatief geladen plek positief geladen, of in zijn geheel positief geladen.
In het geval van een batterij loopt de stroom van de plek waar de elektronen vrijkomen naar de plek
waar ze worden opgenomen. De elektronen worden geproduceerd en opgenomen door twee
verschillende stoffen, genaamd de reductor en de oxidator. De reductor is de stof die de elektronen
afgeeft. Het is energetisch gunstig voor dit deeltje om de elektronen af te geven. In het simpelste geval
is er een ongeladen deeltje dat een elektron afgeeft, waardoor een elektron vrijkomt en het deeltje
positief geladen raakt. Dit gebeurt bijvoorbeeld voor een onbepaalde stof A op de volgende manier:
→ ++ −
Als dit elektron vrijkomt, kan het worden opgenomen door de elektrode, waarna het naar de oxidator
stroomt. In de oxidator wordt het elektron opgenomen. In het simpelste geval gebeurt hier precies het
5
MFC’s: batterijen van bacteriën
tegenovergestelde van de reactie in de reductor: een positief geladen deeltje neemt een elektron op,
om vervolgens een neutraal geladen deeltje te worden. In de volgende vergelijking voor een
onbepaalde stof B:
+
+ −→
Als met deze reacties vergelijkbare reacties plaatsvinden, bewegen elektronen van de ene stof naar de
andere. Als deze elektronen worden opgevangen, is het mogelijk een stroom te laten lopen.
Meestal zijn de reacties van de reductor en de oxidator complexer: in sommige gevallen komen H+ionen (protonen) vrij en soms worden ze juist opgenomen. Daarom staan de twee stoffen niet alleen
met twee elektrodes met elkaar in contact, maar ook met een membraan, zoals een zoutbrug, dat
protonen of andere positief geladen ionen kan overgeven. Als dit niet zou gebeuren, zou de ene kant,
waarvan de elektronen vertrekken, steeds positiever worden. Hierdoor zullen de elektronen niet meer
goed verder stromen. Een reductie of een oxidatie vindt nooit alleen plaats: er moet een reden zijn
voor de reductor om elektronen af te geven, en voor de oxidator moeten er elektronen zijn om te
kunnen opnemen. Dit is de reden waarom reacties zoals die van stof A en stof B halfreacties heten: ze
kunnen niet plaatsvinden zonder elkaar. De algemene term voor een reactie tussen een reductor en
een oxidator is ‘redoxreactie’. In het geval van stof A en B zou je de gehele reactie kunnen schrijven
als:
⟶
+
+
⟶
---------------------------------+
⟶
+
Door de deeltjes aan het begin en het eind van beide reacties bij elkaar op te tellen en weg te strepen
wat aan beide kanten van de pijl hetzelfde is, komt de onderste reactie uit de bovenste twee
halfreacties.
3.1.2 Elektrodes (2)
In een batterij bevinden zich twee elektrodes. Deze zijn bedoeld voor het ontvangen en afgeven van
de elektronen van de reductor naar de oxidator. De elektrode die de elektronen ontvangt van de
reductor, heet de anode; de elektrode die de elektronen weer afgeeft aan de oxidator nadat deze door
het circuit zijn gelopen, heet de kathode.
Elektrodes moeten zo goed mogelijk kunnen geleiden om zo de meeste elektronen te ontvangen en af
te geven, zonder dat deze te veel energie verliezen aan de weerstand van de elektrode. De elektrodes
staan meestal in contact met een sterke reductor; er komen dus veel elektronen vrij. Als de elektrode
zou reageren met de elektronen, zouden minder elektronen worden opgenomen in het circuit. De
beste elektrodes bestaan dus uit een goed geleidend materiaal dat de reactie in de batterij niet op een
nadelige manier beïnvloedt.
De oppervlakte van de elektrodes maakt veel uit voor de prestatie van de batterij: hoe groter deze
oppervlakte, des te meer oppervlakte er is om elektronen af te geven aan de stof of om elektronen op
te nemen uit de stof, en hoe groter dus de totale stroom is. De spanning die wordt afgegeven, wordt
vooral bepaald door welke stoffen reageren.
3.1.3 Stroomkring (3)
Batterijen zijn bedoeld om elektrische apparatuur te laten functioneren. Een elektrische stroom is
eigenlijk niks anders dan de beweging van elektronen door bijvoorbeeld een elektriciteitsdraad. Voor
het lopen van een stroom moet er echter wel een stroomkring zijn. In het geval van een batterij moet
de reductor in contact staan met de oxidator; hierdoor vinden beide reacties plaats en zullen de
elektronen gaan stromen. Als deze niet met elkaar in verbinding staan, vindt geen van beide reacties
plaats, waardoor er geen stroomkring is. Het is dus van belang dat er een mogelijkheid is voor de
elektronen, maar ook voor de positief geladen deeltjes (wegens de noodzaak om elektrisch neutraal
te blijven), om van de reductor naar de oxidator te lopen.
6
MFC’s: batterijen van bacteriën
3.1.4 Interne weerstand en vermogen (3)
In Figuur 1 is de schematische opbouw van elke batterij te zien,
dus ook van een MFC. We zien hier een accu die bestaat uit een
interne weerstand (Ri) en de spanningsbron. De spanningsbron
zelf geeft altijd een vaste spanning af (E(emf)), maar de accu als
geheel zal niet altijd evenveel spanning (Uk) afgeven: een deel van
de spanning, afhankelijk van de stroom, zal worden gebruikt door
de interne weerstand (Ui). Deze interne weerstand komt door de
weerstand van onder andere de elektrode en het membraan voor
de positieve ionen. Hier zijn de volgende formules van belang:
(1)
U=I∗R
Figuur 1: Interne weerstand
(2)
E= U +U = U +I∗R
Met E, Uk en Ui respectievelijk de totale spanning over de spanningsbron, de spanning over de accu
(klemspanning) en de spanning over de interne weerstand (in volt (V) of Joule/Coulomb (J/C,
energie/ladingseenheid)). Ri is de weerstand in Ohm (Ω) en I is de stroomsterkte in ampère (A). Als de
stroomsterkte stijgt, zal het percentage van de spanning dat effectief wordt gebruikt, kleiner worden.
De spanning over de spanningsbron (E) valt theoretisch te berekenen door de elektrodepotentiaal van
de reductor (de anode) af te trekken van de elektrodepotentiaal van de oxidator (de kathode). Hierover
meer onder het kopje 3.4.3 Analyse van de MFC.
Naast de interne weerstand heb je de volgende vergelijking nodig om het vermogen van de batterij te
berekenen, oftewel de energie per tijdseenheid ([P] = J/s = Watt):
=
∗ =
(3)
Uit deze formule (3) blijkt dat de spanning (weergegeven in de formule als U) behalve de ‘normale’
eenheid volt nog een andere eenheid kan hebben. Vermogen heeft namelijk de eenheid joule per
seconde, maar een andere eenheid voor stroom is coulomb per seconde (I = , dus [I] = C/s). De enige
manier om de eenheden in de vergelijking weer goed te krijgen is door de spanning uit te drukken in
de eenheid joule per coulomb (J/C), oftewel energie per ladingseenheid.
7
MFC’s: batterijen van bacteriën
3.2 Bacteriën
MFC’s zijn dus batterijen (brandstofcellen), maar waarom staat dat woord ‘microbiële’ ervoor? Dit
komt omdat het batterijen zijn waarin bacteriën de reactie katalyseren. Om de MFC te snappen wordt
in deze paragraaf iets uitgelegd over bacteriën.
Bacteriën zijn eencellige prokaryoten (4), wat betekent dat ze geen celkern hebben. Hun cirkelvormige
DNA ligt dan ook direct in het cytoplasma. Vaak hebben bacteriën een diameter van 0,5 - 5 μm, maar
de grootste bacterie heeft een diameter van wel 750 μm groot (Thiomargarita namibiensis).
Bacteriën reproduceren zich door te splitsen. Doordat hun groei exponentieel is, kunnen bacteriën zich
heel snel vermenigvuldigen. Onder ideale laboratoriumomstandigheden kunnen sommige bacteriën,
zoals E. coli, zich zelfs elke twintig minuten delen.
Na een periode zal deze groei stoppen en zullen bacteriën sterven, bijvoorbeeld door het ontstaan van
giftige afvalstoffen. Onder dit soort harde condities (ook bij een hoge temperatuur) kunnen sommige
bacteriën endosporen vormen. Dit zijn bacteriën die een beschermlaag rond de celkern krijgen, die
compleet gedehydrateerd zijn en waarin het metabolisme is stopgezet. Als de omstandigheden beter
zijn, kunnen deze endosporen zich hydrateren en ontstaat weer een werkende bacterie. Dit is de reden
waarom voor steriele omstandigheden alles moet worden gesteriliseerd bij een temperatuur hoger
dan 121 °C, aangezien dit de temperatuur is waarbij de endosporen kapot gaan.
3.2.1 Zuurstoftolerantie
Er zijn veel verschillende soorten bacteriën, die van elkaar verschillen
op verscheidene punten, zoals vorm, grootte, opbouw van de
celwand en bewegelijkheid. Daarnaast is nog iets heel
onderscheidend, namelijk hun zuurstoftolerantie. Sommige
bacteriën kunnen namelijk niet tegen zuurstof (anaeroob), terwijl
andere het juist nodig hebben (aeroob). Dit is ook belangrijk voor de
MFC, want in MFC’s kan alleen gebruik worden gemaakt van
Figuur 2: zuurstoftolerantie
anaerobe bacteriën. Zoals in Figuur 2 te zien is, heeft dit ook invloed
op de plaats waar de bacteriën zullen groeien. Deze testbuizen bevatten: (5)
1. Obligate aerobe: moeten zuurstof hebben en kunnen zonder niet groeien. Daarom groeien ze,
zoals te zien is in Figuur 2, alleen aan de bovenkant van de testbuis.
2. Obligate anaerobe: kunnen niet overleven als ze in contact zijn met zuurstof, het is zelfs giftig
voor ze. Daarom groeien ze aan de onderkant van de testbuis.
3. Facultatieve anaerobe: kunnen zowel met als zonder zuurstof leven, maar zullen in het geval
van aanwezigheid van zuurstof dit gebruiken in hun metabolisme (zie 3.3.1 Cellulaire
respiratie). Daarom zullen ze overal in de testbuis voorkomen, maar het meest aan de
bovenkant van de testbuis.
4. Micro-aerofielen: hebben wel zuurstof nodig, maar het is giftig voor ze in hoge concentraties.
Daarom zullen ze een stukje onder het oppervlak van de testbuis veel voorkomen.
5. Aerotolerante anaerobe: bacteriën waarvoor zuurstof niet giftig is, maar die het niet kunnen
gebruiken in hun metabolisme. Daarom zullen ze geen voorkeur hebben voor een plaats in de
testbuis en overal voorkomen.
Zoals straks zal worden besproken, kunnen in MFC’s alleen anaerobe bacteriën gebruikt worden.
3.2.2 Biofilm
Bacteriën worden vaak gezien als losse cellen, maar in de natuur komen ze juist vaker voor terwijl ze
samenwerken in een biofilm (zoals tandplak). Een biofilm (6) is een laagje bacteriën van verschillende
soorten die in een laagje zelfgeproduceerd slijm blijven hangen (extracellulaire matrix). Deze matrix
bevat DNA, eiwitten en suikers. Door kleine kanaaltjes kunnen voedingsstoffen ook de onderste
bacteriën bereiken, zij het in minder grote concentraties. Hierdoor zijn de omstandigheden op
verschillende plekken in een biofilm (zoals de concentratie zuurstof en voedingsstoffen) vaak heel
8
MFC’s: batterijen van bacteriën
verschillend. Tussen de bacteriën vindt zelfs communicatie plaats door het uitscheiden van bepaalde
signaalstoffen.
Deze bacteriën in zo’n biofilm kunnen dan samenwerken, bijvoorbeeld doordat een bepaalde soort
aminozuren voor de andere soorten produceert en hiervoor suikers terugkrijgt. Ook is de binnenkant
van een biofilm anaeroob, zodat de obligate anaerobe bacteriën daar goed kunnen groeien. Daarnaast
zijn ze door de grote diversiteit die zich vaak voordoet met z’n allen beter beschermd tegen
veranderingen in de leefomgeving. Een biofilm ontstaat ook op de anode van een MFC, als meerdere
soorten bacteriën bij elkaar worden gevoegd in de anodekamer van de MFC.
9
MFC’s: batterijen van bacteriën
3.3 Van sacharide tot stroom
In MFC’s zetten bacteriën stoffen zoals sachariden om tot CO2 en water. Hierbij komen elektronen vrij,
die in een MFC worden gebruikt voor de elektrische stroom. Maar waar komen deze elektronen
vandaan en hoe komen de elektronen vanaf de bacterie naar de elektrode? Voordat de MFC wordt
behandeld, moeten deze vragen eerst worden beantwoord.
3.3.1 Cellulaire respiratie (4)
De cellulaire respiratie, het verbranden van een koolstofbron en het verkrijgen van energie hieruit voor
een cel vormen samen een lang en complex proces. Alleen monosachariden kunnen in deze keten
worden toegevoegd; daarom moeten de grotere moleculen (di- en polysachariden) eerst worden
afgebroken tot de kleinere monosachariden. Mensen doen dit grotendeels in hun mitochondriën.
Bacteriën hebben geen mitochondriën en doen dit in hun cytoplasma en hun celmembraan. In dit stuk
zal vooral de cellulaire respiratie van bacteriën worden besproken.
Het begint met de glycolyse, waarbij de sacharide (in dit geval is glucose als voorbeeld gekozen) wordt
afgebroken tot twee kleinere moleculen pyrodruivenzuur (pyruvaat). Hierbij komt vier ATP
(adenosinetrifosfaat) en twee NADH,H+ (gereduceerd nicotineamideadeninedinucleotide) vrij. ATP
wordt gebruikt door de cel om energie op te slaan en kan later overal in de cel worden ingezet.
NADH,H+ wordt later in de cellulaire respiratie gebruikt. De NAD+ (die twee elektronen en een proton
opneemt) wordt hier gebruikt als de oxidator van glucose. Het is eigenlijk de transporteur van de
elektronen. De NADH,H+ gaat vervolgens naar oxidatieve
fosforylering, waarop straks verder wordt ingegaan.
Als een uiteindelijke elektronenacceptor aanwezig is, zoals
zuurstof of een elektrode (hierover later meer), gaat het
pyrodruivenzuur het mitochondrium in door een
transporteiwit, waar het co-enzym-A aan dit molecuul
wordt gekoppeld in plaats van een CO2-groep. Dit proces
heet decarboxylering. Bij deze koppeling wordt weer een Figuur 3: Schematische weergave van de
NAD+ omgezet in een NADH,H+. Het product dat ontstaat, oxidatie van pyrodruivenzuur
is acetyl-CoA (zie Figuur 3).
Het acetyl-CoA wordt vervolgens opgenomen in de citroenzuurcyclus. Daarbij wordt het gebonden aan
oxaalazijnzuur, waarna het een heel proces doormaakt. Dit proces is te zien in Figuur 4.
Figuur 4: De citroenzuurcyclus is de grote cirkel, de kleine cirkel is de decarboxylering.
10
MFC’s: batterijen van bacteriën
Te zien is dat van het oxaalazijnzuur na drie stappen twee CO2-atomen zijn afgesplitst. Hierbij wordt
NADH,H+ gecreëerd. In de stap van barnsteenzuur naar fumaarzuur komt FADH2 vrij, dat net zoals
NADH,H+ twee elektronen en één proton vervoert voor de oxidatieve fosforylering. Ook komt per
molecuul pyrodruivenzuur (waarvan twee vrijkomen per glucose molecuul) 1 GTP vrij, wat kan worden
omgezet tot ATP. Daarnaast komen in de citroenzuurcyclus 3 NADH,H+ en FADH2 vrij.
In de oxidatieve fosforylering (zie Figuur 5) worden
NADH,H+ en FADH2 weer geoxideerd naar NAD+,
waardoor twee elektronen vrijkomen. De
elektronen lopen via een reeks redoxreacties langs
een aantal cytochromen (eiwitten op het
celmembraan van de bacterie), die ervoor zorgen
dat protonen van binnen de bacterie naar buiten de
bacterie worden gehaald, over hun celmembraan
heen. Dit doen ze door eerst elektronen en
protonen van binnen de cel op te nemen, en
vervolgens het elektron aan de volgende in het rijtje
door te geven en het proton buiten de cel weer los
Figuur 5: De oxidatieve fosforylering
te laten.
De elektronen reageren na de ketting van cytochromen met de uiteindelijke elektronenacceptor. Bij
aerobe ademhaling zal dit zuurstof zijn, in het geval van de MFC is dit de anode-elektrode.
De bacterie zelf krijgt energie doordat de protonen in hogere concentratie buiten het celmembraan
voorkomen. Door de osmotische druk zal zo veel mogelijk geprobeerd worden dit verschil ongedaan
te maken. De enige manier voor de protonen om terug de cel in te gaan is via een transporteiwit: ATPsynthase. Dit laat de protonen via een draaiende rotor terug de cel in gaan. De energie die hierbij
vrijkomt, wordt gebruikt om ADP om te zetten in ATP.
Het verschil tussen NADH,H+ en FADH2 is dat FADH2 een minder sterke reductor is, waardoor de
elektronen pas later in de cytochromenketen kunnen worden toegevoegd. Hierdoor kunnen minder
protonen buiten de cel worden gehaald, zodat de uiteindelijke ATP-productie via FADH2 lager is.
Als geen uiteindelijke elektronenacceptor aanwezig is, zoals zuurstof of een elektrode, kunnen
sommige bacteriën ook anaerobe fermentatie uitvoeren: er ontstaat melkzuur of alcohol. Dit levert
echter minder energie op voor de bacteriën: 2 ATP i.p.v. 36 tot 38 ATP bij aerobe dissimilatie.
3.3.2 Overdracht elektronen (7) (4)
Bij bacteriën in aerobe omstandigheden reageren de elektronen die vrijkomen op het celmembraan
met zuurstof. In de MFC is het echter mogelijk om deze elektronen op te nemen en te gebruiken, door
ze ergens anders te laten reageren. Dit kan op drie verschillende manieren: (7)
1. Het membraan staat rechtstreeks in contact met een elektrode: het elektron wordt
rechtstreeks opgenomen door de elektrode.
2. De bacterie staat met de elektrode in contact via nanowires. Sommige bacteriën kunnen deze
nanowires produceren, die de elektronen laten geleiden en kunnen overbrengen. Het zijn
aangepaste pili, een soort verlengingen van het celmembraan (een haarachtige structuur). Als
deze nanowires in contact komen met de elektrode, kunnen bacteriën ze gebruiken als manier
om de elektronen over te geven.
3. Via elektronenmediatoren: als de bacteriën los in het medium zitten, is de overdracht van de
elektronen naar de anode erg lastig. Er bestaan echter stoffen, zoals methyleenblauw, die de
elektronen kunnen opnemen (het reduceert). (8) Vervolgens kunnen deze mediatoren de
elektronen loslaten bij de anode, waar deze stof de elektron afgeeft (het oxideert). Uiteindelijk
wordt netto niks van deze stof gebruikt, maar de elektronen die de bacteriën normaal niet aan
de anode zouden kunnen geven (omdat de bacteriën te ver van de anode vandaan zitten om
direct contact te leggen), worden zo toch aan de anode gegeven en kunnen worden gebruikt
in de MFC.
11
MFC’s: batterijen van bacteriën
3.4 Microbiële brandstofcellen
Nu we meer weten over batterijen en bacteriën, kunnen we met deze kennis de MFC proberen te
begrijpen. Een microbiële brandstofcel is simpel gezegd een batterij die bacteriën gebruikt om stroom
op te wekken. De precieze definitie, zoals gesteld in bron (7), luidt: devices that use bacteria as the
catalysts to oxidize organic and inorganic matter and generate current (in het Nederlands: apparaten
die bacteriën gebruiken als katalysatoren om organische en anorganische stoffen te oxideren en
stroom op te wekken).
MFC’s behoren tot de energiebronnen die hun energie uit biomassa halen. Hiertoe behoren
bijvoorbeeld ook de biomassavergisters en de openhaard (je verbrandt daarin immers hout, wat ook
biomassa is). Bij het omzetten van biomassa naar energie komt CO2 vrij, maar toch is het groene
energie. Deze CO2 is namelijk ooit opgenomen uit de atmosfeer door planten, die hiervan de biomassa
hebben gemaakt. De netto-uitstoot van CO2 is dus gelijk aan nul. Bij fossiele brandstoffen is de CO2
veel langer geleden uit de lucht opgenomen door planten en zijn deze planten door jarenlange
krachten samengedrukt tot bijvoorbeeld steenkool. Door het vele gebruik van fossiele brandstoffen is
er de laatste paar eeuwen heel veel CO2 bijgekomen.
3.4.1 Opbouw van een MFC
Figuur 6 toont hoe een ‘normale’ MFC in elkaar zit (niet op schaal).
Figuur 6: De opbouw van een MFC
Een MFC heeft de opbouw van een normale batterij: twee kamers die worden gescheiden door een
membraan (de oranje lijn), met twee elektrodes die worden verbonden door een stroomdraad
waardoor de elektrische stroom kan lopen. Hier bevindt zich echter bij de anode een ovale vorm, die
de bacterie moet voorstellen. In werkelijkheid is deze in verhouding tot de elektrode uiteraard veel
kleiner en zijn ze met heel veel meer. Je ziet hier een bacterie die glucose via de verschillende stappen
omzet tot CO2, H+ (protonen) en e- (elektronen). Dit gaat volgens de volgende halfreactie, waarbij
12
MFC’s: batterijen van bacteriën
Cn(H2O)m de vereenvoudigde formule is voor sommige sachariden, zoals glucose (bij glucose, C6H12O6,
is n =m = 6, dit valt te zien aan C6*1H6*2O6*1 = C6H12O6):
Cn(H2O)m (s) + (2n-m) H2O (l) → n CO2 (g) + 4n H+ (aq) + 4n eHiervoor moet het anodecompartiment wel anaeroob zijn, en de bacterie moet onder deze anaerobe
omstandigheden kunnen leven. Als wel zuurstof in de anode komt, kunnen de elektronen direct
reageren met de zuurstof, volgens de volgende reactie:
O2 (g) + 4 H+ (aq) + 4 e- → 2 H2O (l)
In dit geval (als de anodekamer niet anaeroob is) hoeven de elektronen niet door de stroomdraad,
zodat uiteindelijk veel minder stroom wordt opgewekt in de MFC.
Als de bacteriën zich wel in een anaeroob milieu bevinden, kunnen ze vervolgens de elektronen
afgeven aan de elektrode door verschillende systemen. De protonen (of andere positief geladen ionen)
gaan door het membraan heen naar de kathode (om de lading gelijk te houden). De elektronen gaan
door een stroomdraad heen en de energie van deze elektronen kan gebruikt worden als elektrische
energie (elektrische stroom is in feite beweging van elektronen). Aan de kathode reageren deze
elektronen weer met een oxidator, bijvoorbeeld zuurstof (zie de reactie hierboven). Bij deze reactie
wordt vaak gebruikgemaakt van koolstofelektrodes met in de oplossing dure platinumkatalysatoren
om de reactie goed te laten verlopen, omdat het laten reageren van zuurstof op een koolstofelektrode
zonder deze katalysatoren heel veel energie kost. (7)
Het membraan tussen de anode en kathode heeft twee functies: het doorlaten van protonen en zorgen
dat de elektronenacceptor uit de kathode niet in de anode terecht kan komen. De bacteriën kunnen
dan namelijk direct hun elektronen aan deze stof afgeven. Het membraan kan een speciaal
geproduceerd membraan zijn, maar ook een gewone zoutbrug (een vloeibare, zeer viskeuze oplossing
van agar – een soort bindmiddel – en zouten in water). Hoe langer de protonen door dit membraan
moeten, hoe groter de weerstand die ze hierbij ondervinden. Hierdoor hebben systemen met
zoutbruggen vaak een grote interne weerstand (zie voor interne weerstand 3.4.3 Analyse van de MFC).
(7)
Er zijn ook andere versies van MFC’s ontworpen. Er is overwogen om in het onderzoek hiervan gebruik
te maken, maar de MFC gebruikt in dit onderzoek bleek beter geschikt voor dit project.
Zo bestaat een soort MFC die lucht-kathode-MFC (air-cathodeMFC of single-chambered MFC) wordt genoemd (zie Figuur 7).
In plaats van het oplossen van zuurstof in water, wat normaal in
een MFC gebeurt, bevindt de kathode zich simpelweg aan de
buitenkant van de MFC en staat hij aan de ene kant in direct
contact met lucht en aan de andere kant met anodevloeistof of
een membraan. De belangrijkste functie van het membraan is
om te zorgen dat niet te veel water weglekt door de kathode.
Zonder membraan kunnen bacteriën ook op de binnenkant van
de kathode gaan zitten. Hier kunnen ze sachariden verbranden
zonder elektronen door de draad te sturen, waardoor minder
elektrische stroom ontstaat. Hierdoor zal de MFC minder
efficiënt worden in het opwekken van stroom. Hij kan nog wel Figuur 7: lucht-kathode-MFC
worden gebruikt in de afvalwaterzuivering (zie 3.6 Afvalwater).
Zuurstof kan door de elektrode naar binnen diffunderen, waar het aan de binnenkant reageert met
protonen tot water. Als het medium in de MFC niet de hele tijd doorstroomt, zoals in dit figuur, zal
vanzelf CO2 naar buiten gaan, door het ontstane concentratieverschil. Sommige zuurstofmoleculen
reageren echter niet (omdat er te weinig elektronen of protonen aanwezig zijn), zeker als de
diffusiesnelheid heel hoog is. Deze diffusiesnelheid hangt onder andere af van de dikte, het oppervlak
en het materiaal van de elektrode, en het verschil in zuurstofconcentratie buiten en binnen de MFC.
Hier komt de tweede functie van het membraan in beeld: het houdt de overige zuurstofmoleculen
tegen, zodat er geen elektronenacceptor in de anodekamer komt. (9)
13
MFC’s: batterijen van bacteriën
Een ander soort MFC is een sediment-MFC, waarbij de anode in de modder
zit. Modder is redelijk rijk aan voedingsstoffen, die de bacteriën kunnen
omzetten. De protonen kunnen door de modder naar de bovenkant,
waarop de kathode ligt. Deze kathode is in direct contact met lucht of ligt
in zuurstofrijk water. Ook hier kan elektriciteit worden opgewekt, al is dit
een simplistischer gebouwde MFC.
Een leuke toepassing van deze MFC is de ‘oplaadbare’ MFC, oftewel een
plant-MFC. Het idee hierbij is dat planten, die door fotosynthese CO2 en
water omzetten tot zuurstof en suikers, boven op de sediment-MFC
worden geplaatst. Planten scheiden via hun wortels een beetje suiker en
aminozuren uit (rhizodepositie) en in ruil daarvoor helpen rhizobacteriën
de plant te groeien, bijvoorbeeld door bepaalde mineralen uit de grond op Figuur 8: sediment-MFC
te nemen. Rhizobacteriën zijn aardebacteriën die in het gebied dicht bij de wortel veel voorkomen. (4)
Deze sachariden kunnen worden gebruikt door de bacteriën en in zo’n MFC kan hiermee elektrische
energie worden opgewekt. De bacteriën produceren CO2, die de plant kan gebruiken om sachariden
te maken, en dan begint de cirkel opnieuw. (10)
3.4.2 Effectiever maken van de MFC
Als de MFC zo’n goede, schone techniek is, waarom wordt hij dan niet op grote schaal toegepast? Dit
komt vooral doordat MFC’s nog niet effectief genoeg zijn. Tussen 2002 en ongeveer 2005 is het
maximale vermogen (de hoeveelheid energie per tijdseenheid) dat een MFC kan leveren bijna
exponentieel toegenomen, maar sindsdien blijft het steken rond de 2 W/m2 (om MFC’s goed te kunnen
vergelijken, wordt het vermogen per oppervlakte van de elektrode of het vermogen per inhoud van de
MFC genomen). De hoogste bekende waarde stamt uit 2008 en was 6,86 W/m2, maar hier is een beetje
vals gespeeld: ze hebben de kathode, die vaak de limiterende factor is, veertien keer zo groot gemaakt
als de anode en toch het vermogen per m2 uitgerekend met het oppervlakte van de anode. Als hiermee
rekening wordt gehouden, is het maximale vermogen slechts 0,49 W/m2. Als deze waarde niet wordt
meegerekend, is het hoogst gehaalde vermogen net iets boven 2 W/m2. (1)
Er bestaat nog geen eenduidig voorschrift voor de productie en het testen van MFC’s, waardoor
vergelijken van testresultaten van MFC’s lastig is. Er zijn in de literatuur verschillende variabelen, die
sterk verschillen per onderzoek, zoals pH, temperatuur, het membraan en de tijd dat de MFC kon
blijven staan. (7)
MFC’s verliezen op twee manieren makkelijk veel vermogen (in 3.4.3 Analyse van de MFC zal dit verder
worden toegelicht):
1. Veel energie gaat verloren tijdens de reactie, bijvoorbeeld doordat de reactie bij de kathode
pas met veel energie op gang komt.
2. De interne elektrische weerstand van de batterij zelf, die o.a. wordt veroorzaakt door de
geleiding van de elektrodes en het membraan (zie ook 3.1 Batterijen).
Dit verlies van energie en dus spanning kan op verschillende plekken in de MFC plaatsvinden.
Hieronder zullen de energieverliezen bij de verschillende onderdelen worden besproken.
Anode
Over het algemeen zijn MFC’s met een bacteriecultuur van verschillende soorten op hun anode beter
dan MFC’s met één soort bacterie. (7) Op de elektrode vormt zich dan een biofilm, zoals beschreven in
paragraaf 3.2 Bacteriën. Dit blijkt een hogere waarde op te leveren dan MFC’s waarin maar één
bacteriesoort is gebruikt.
Vaak wordt voor het materiaal van de elektrodes koolstof gebruikt. De elektrode in de anode moet
voldoen aan verschillende eisen:
1. Goede geleidbaarheid: de elektronen moeten makkelijk door de elektrode gaan.
2. Niet dodelijk voor bacteriën.
14
MFC’s: batterijen van bacteriën
3. Chemisch stabiel in de oplossing: de stof mag niet met andere stoffen reageren in het medium,
omdat dit bijvoorbeeld dodelijk kan zijn voor de bacteriën of omdat daardoor de osmotische
waarde van het medium kan veranderen.
4. Groot oppervlak: hoe groter het oppervlak, hoe meer bacteriën zich eraan kunnen bevestigen.
Meer bacteriën betekent meer elektronen door de elektrode, zodat uiteindelijk meer stroom
wordt opgewekt.
In dit onderzoek zijn koolstofplaatjes gebruikt. Pure grafiet (koolstof) geleidt niet heel goed. 1.375
μΩcm voor koolstof is veel in vergelijking met de waarde 9,71 μΩcm voor ijzer (11), maar
koolstofelektrodes bestaan niet alleen uit grafiet (een redelijk zacht, breekbaar materiaal), maar uit
een mengsel van grafiet en andere stoffen, die voor een andere elektrische weerstand kunnen zorgen.
IJzer en koper daarentegen zijn zelf een reductor en in (hogere) concentraties giftig voor bacteriën. Uit
onderzoek is gebleken dat koolstofvilt, onder andere vanwege zijn grotere oppervlak, beter is dan
grafiet (de koolstofplaatjes). (7) Hier is het echter lastig om de oppervlaktes gelijk te houden, omdat de
structuur per stuk vilt heel verschillend kan zijn. Ook is het meten van het oppervlak onhandig. Ook
andere materialen zijn getest, zoals titanium. Titanium alleen bleek niet geschikt te zijn voor MFC’s,
maar als het bekleed was met platinakatalysator, leverde het een hogere waarde op dan
koolstofelektrodes. (1) Dit soort elektrodes is echter niet op school aanwezig en heel duur, dus konden
ze helaas niet worden gebruikt.
Ook bleek dat het stromen van het medium richting de anode een hogere waarde oplevert. Hiervoor
waren twee verklaringen: door de beweging van het medium kan zuurstof, die door het membraan
heen gaat, minder goed bij de anode komen, of de H+ wordt beter naar de kathode vervoerd, waar het
de reactie met de oxidator vaak helpt.
MFC’s die in het laboratorium worden gemaakt met als anodevloeistof synthetisch afvalwater (met
makkelijk afbreekbare koolstofbronnen) hebben een veel hoger vermogen dan degene die op echt
afvalwater werken. Dit heeft verschillende redenen (11):
 Bacteriën hebben vaak moeite om complexere materialen even snel af te breken als
makkelijkere materialen.
 Competitie met methanogenen (bacteriën die van de koolstofbron methaan maken) om de
koolstofbron. Met sommige bronnen, zoals acetaat, kunnen de elektrochemisch actieve
bacteriën deze methanogenen wegconcurreren, maar bij andere bronnen (zoals glucose)
kunnen ze dat niet. Zelfs bij de bronnen zoals acetaat kunnen ze nooit alle bacteriën
wegkrijgen. Dit ligt waarschijnlijk aan het feit dat de methanogenen niet afhankelijk zijn van
contact met de elektrodes, terwijl elektrochemisch actieve bacteriën dat wel zijn.
 Veel lagere geleidbaarheid: in synthetisch afvalwater worden veel zouten opgelost, om te
zorgen dat de geleidbaarheid hoger wordt. Voor echt afvalwater geldt dit niet; daarom geleidt
het veel slechter.
 Lage pH-bufferwaarde: uit onderzoek blijkt een lagere buffersterkte ook een lager vermogen
op te leveren in de MFC. Synthetisch afvalwater heeft een hogere buffersterkte, maar echt
afvalwater heeft dit niet.
Membraan
Er bevindt zich een membraan tussen de anode en kathode, die ook een weerstandswaarde heeft. Als
de weerstand hoger is, wordt de interne weestand van de MFC ook hoger. De hogere interne
weerstand betekent een kleinere stroom, en dus een minder groot vermogen. Hoe langer de positieve
ionen door dit membraan moeten reizen, hoe meer weerstand dit oplevert. Daarom moet de dikte van
dit membraan zo klein mogelijk zijn en moeten de elektrodes van de anode en kathode zo dicht
mogelijk bij dit membraan, en dus bij elkaar geplaatst worden.
Het functie van het membraan is, zoals eerder gezegd, om de oxidator (bijvoorbeeld zuurstof) niet de
anode in te laten gaan. Dit lukt niet volledig, zodat een paar elektronen verloren gaan, waardoor ook
een deel van de spanning verloren gaat. (7)
15
MFC’s: batterijen van bacteriën
Maar er is nog een probleem: in de omstandigheden van afvalwater zijn de membranen eerder geneigd
om andere positieve ionen dan H+ door het membraan heen te laten. Omdat nog steeds sacharide
wordt afgebroken (wat H+ oplevert en de pH dus laat dalen, zeker met de lage buffersterkte van echt
afvalwater) en bijvoorbeeld zuurstof reageert (wat H+ kost en de pH dus laat stijgen), zal een pHverschil ontstaan tussen de anode en de kathode. Dit verschil kan zelfs een verlies van +/- 0,06 V per
pH-eenheid veroorzaken, terwijl de pH soms wel 5 kan verschillen. Dit lijkt weinig, maar met een
voltage dat hoogstens rond de 0,8 V ligt, is dit een zeer hoge waarde. (11)
Kathode
De kathode levert bij de MFC’s vaak een enorm energieverlies op, o.a. door de reacties die daar niet
goed lopen, zoals die van zuurstof. Als zuurstof wordt gebruikt, is vaak ook een platinakatalysator
aanwezig, omdat de reactie dan sneller en vooral beter hoort te gaan. Platina is echter niet de beste
katalysator voor de MFC’s, omdat: (11)
 Het heel duur is.
 In de MFC’s vaak niet gewerkt kan worden met een lage pH, veroorzaakt door de diffusie van
protonen naar de anode (hierdoor daalt de pH, waar veel bacteriën niet tegen kunnen). Vaak
wordt zelfs met een pH van 7,0 gewerkt. Platinakatalysatoren werken in andere
brandstofcellen goed, maar reageren op een lage pH. H+ speelt namelijk in het
reactiemechanisme een grote rol, zodat een lage pH zorgt voor een grotere reactiesnelheid.
 Brandstofcellen waarin platina wel goed werkt, werken vaak op een hogere temperatuur van
tussen 50 en 100 °C, waarbij de reactiesnelheid ook veel hoger is.
 Andere reacties worden ook gekatalyseerd door platina, waaronder reacties die giftig zijn voor
bacteriën.
Daarom is het belangrijk dat meer onderzoek wordt gedaan naar andere katalysatoren, die onder deze
precieze omstandigheden wel werken en niet zo duur zijn.
In de praktijk zal als oxidator vaak zuurstof worden gebruikt, aangezien het veel aanwezig en gratis is.
Wel wordt onderzoek gedaan naar (en vooral met) andere soorten oxidatoren, zoals Fe3+, Cu2+ of
Fe(CN)63-. De laatste wordt veel gebruikt in onderzoek naar MFC’s: het kan in hoge concentraties
worden opgelost in water en is een goede elektronenacceptor, omdat het veel minder energie kost
voor de elektronen om te reageren aan een koolstofelektrode dan als zuurstof wordt gebruikt. Het is
echter niet gratis (in tegenstelling tot zuurstof) en wordt niet genoeg teruggeoxideerd door zuurstof:
het raakt op en de kathodevloeistof moet dan vervangen worden. Dit beïnvloedt op lange termijn het
resultaat van de MFC. Dit is niet handig bij gebruik op grote schaal (vooral door de kosten), maar in
laboratoriumomstandigheden is het wel handig. (7)
Er wordt ook onderzoek gedaan naar een biokathode: in de kathode zitten dan bacteriën, net zoals in
de anode. Deze zetten de reactieproducten aan de kathode (bijvoorbeeld Fe2+) m.b.v. zuurstof weer
om naar de stof die als oxidator wordt gebruikt (bijvoorbeeld Fe3+). Zo kan wel een andere stof als
oxidator aan de koolstofelektrode worden gebruikt. De oxidator wordt dan hergebruikt en raakt dus
in ieder geval minder snel op. (1)
3.4.3 Analyse van de MFC
Als de MFC’s zijn gemaakt, moeten ze worden getest. Er zijn verschillende manieren om de MFC te
analyseren. In dit stuk zal worden ingegaan op de methode die in dit onderzoek is gebruikt en de
berekeningen achter deze methode.
Theorie en berekeningen
In paragraaf 3.1 Batterijen is de interne weerstand besproken, die belangrijk is voor de analyse van
MFC’s.
Om de hoeveelheid spanning te berekenen die de spanningsbron kan afgeven, moet via verschillende
stappen de Eemf berekend worden, de electromotive force van de elektrodes. Hiermee kan uiteindelijk
16
MFC’s: batterijen van bacteriën
de maximale theoretische spanning van de MFC worden berekend. Dit doen we met de hulp van twee
vergelijkingen: Gibbs-vrije energie en de wet van Nernst. (7)
De Gibbs-vrije energie van een reactie geeft aan of een reactie spontaan verloopt (de waarde is
negatief) of niet spontaan verloopt (de waarde is positief). Deze Gibbs-vrije energie van een reactie
hangt af van de temperatuur, de druk en de concentratie van de opgeloste deeltjes. De standaard
Gibbs-vrije energie van een reactie (∆Gr0) is de Gibbs-vrije energie onder normale omstandigheden
(temperatuur van 298,15 K (25 °C), 1 bar gasdruk en de molariteit van alle opgeloste deeltjes 1,00
mol/L). Deze standaard Gibbs-vrije energie van een reactie kan worden berekend met de standaard
Gibbs-vrije energie van de formatie van de verschillende stoffen in de reactie (∆Gf0): de verandering in
de hoeveelheid Gibbs-vrije energie die wordt veroorzaakt bij het maken van 1,00 mol van de stof bij
de normale omstandigheden vanuit zijn elementen (eveneens onder normale omstandigheden).
Hierdoor is de ∆Gf0 van een element natuurlijk 0, aangezien geen verandering optreedt van de Gibbsvrije energie als ze zichzelf maken. De standaard Gibbs-vrije energie van een reactie kun je berekenen
door de som van alle ∆Gf0 van de reactieproducten te nemen en daarvan de som van alle ∆Gf0 van de
reactanten (reagerende stoffen) af te trekken. (12) Alle reacties (ook de oxidatiereactie) worden
geschreven alsof ze een reductiereactie zijn (dus van oxidator naar reductor, met de elektronen voor
de pijl). In formulevorm staat er:
∆G =
∆G
−
∆G
(4)
Met deze standaard Gibbs-vrije energie van de reactie kun je de Gibbs-vrije energie van de reactie
onder bepaalde omstandigheden (∆Gr) berekenen. Dit kan met de volgende formule (7):
(5)
∆G = ∆G + RT ln(π)
Hierbij is R de algemene gasconstante (8,31447 J/mol/K), T de temperatuur (K) en Π de reactiequotiënt.
Dit is de concentratie van de reactieproducten gedeeld door de concentratie van de reactanten. Als
we als voorbeeld de oxidatiereactie nemen van een vereenvoudigde voorstelling van een sacharide
(CH2O) (hiervan moet dus eerst een reductiereactie gemaakt worden):
CO2 (g)+ 4 H+(aq)+ 4 e- → CH2O (s)+ H2O (l)
Dan kunnen we de reactiequotiënt op de volgende manier schrijven:
CH O
(6)
π=
CO ∗ H
Naast voorspellen of een reactie spontaan of niet-spontaan zal verlopen, kun je ook de maximale
arbeid (dus energie) voorspellen die een systeem kan leveren. De arbeid (W) is namelijk gelijk aan ∆Gr. Met deze arbeid kan vervolgens de spanning tussen de anode en kathode berekend worden (Eemf,
oftewel de elektrodepotentiaal), volgens de volgende formule :
W
∆G
(7)
E
= = −
Q
∗F
Waarin Eemf de elektrode potentiaal is (V of J/C), W de arbeid (J), Q de lading (C), ∆Gr de Gibbs-vrije
energie van de reactie (J), n het aantal mol elektronen dat vrijkomt bij de reactie en F de constante van
Faraday (9,64853 * 104 C/mol, de lading van 1 mol elektronen). Door bij ∆Gr de standaard Gibbs-vrije
energie van de reactie in te vullen, krijg je voor Eemf de standaard elektrodepotentiaal (Eemf0).
Door de reacties (5) en (7) samen te voegen kan voor elke omstandigheid de precieze
elektrodepotentiaal worden berekend. Deze reactievergelijking heet de vergelijking van Nernst:
R∗T
(8)
E
= E
−
ln π
n∗F
Deze waarde van de elektrodepotentiaal kun je zowel bereken voor de kathode als voor de anode. De
totale theoretische spanning die de cel kan afgeven (in Figuur 1 dus E), kun je berekenen met de
formule:
(9)
E
= E
−E
17
MFC’s: batterijen van bacteriën
Al deze formules samen geven de theoretische waarde aan die de spanningsbron in de MFC oplevert.
Deze waarde zal in de praktijk nooit bereikt worden. Het is echter toch belangrijk om deze waarde te
berekenen, omdat dit wel de theoretische waarde weergeeft en dus een theoretische rangschikking
kan geven aangaande de verschillende soorten sachariden. De hoogste waarde voor een MFC wordt
bereikt door een heel hoge weerstand aan de MFC te zetten: zo wordt de stroom gelijk aan nul en volgt
uit formule (2) dat Ecel = UK. Deze spanning wordt de Open Circuit Voltage (OCV) genoemd. Deze waarde
is echter niet gelijk aan de theoretische spanning, doordat verschillende andere energieverliezen
optreden. Aangezien spanning gedefinieerd is als energie per ladingseenheid, betekent een verlies van
energie ook een verlies van spanning. Het verlies van spanning wordt het overpotentiaal genoemd (η).
Uiteindelijk kan de gemeten klemspanning met deze formule worden beschreven: (7)
=
−
+
+ ∗
=
− ∗
(10)
Er zijn dus verschillende manieren waarop een MFC spanning kan verliezen:
 Ohmse verliezen: dit zijn de verliezen die afhankelijk zijn van de stroomsterkte. Het gaat zowel
om de weerstand van de beweging van de elektronen door de elektrodes en de draden, als de
weerstand van de positieve ionen door het membraan en de anode- en kathodevloeistof.
 Activatieverliezen: voor elke chemische reactie moet de stof genoeg energie bevatten om te
reageren, de activatie-energie. Dit geldt ook voor redoxreacties. Deze verliezen treden ook op
als elektronen met of van een stof reageren op de elektrode. Hierdoor gaat bijvoorbeeld
tijdens de reactie van zuurstof tot water op een koolstofelektrode veel energie verloren; door
een platinakatalysator toe te voegen wordt dit verlies minder groot.
 Concentratieverliezen: rondom de elektrode (vooral om de kathode heeft dit een grote
invloed) reageren de stoffen. De reactieproducten zullen niet altijd meteen goed worden
verdeeld over de vloeistof en de reactanten zullen niet altijd even goed naar de elektrode
stromen. Uit formule (6) volgt dat Π dan lager zal worden, waardoor volgens formule (8) de
elektrodepotentiaal van de anode zal stijgen, waardoor uiteindelijk de MFC een lagere
spanning zal opleveren volgens formule (9).
 Bacteriële metabolische verliezen: de bacteriën gebruiken de sacharide en geven via de
elektronentransportketen de elektronen af aan de uiteindelijke elektronenacceptor. Hierbij
verbruiken zij een deel van de energie van de elektronen. Deze energie kan niet meer gebruikt
worden door de MFC als spanning. Aan de ene kant moeten de bacteriën dus zo min mogelijk
energie gebruiken, maar als ze te weinig energie gebruiken, is anaerobe vergisting, waarbij
geen elektronen vrijkomen, misschien beter voor ze en loopt nog minder stroom door de MFC.
Analyse
In dit onderzoek worden de verschillende MFC’s op verschillende manieren geanalyseerd. Er zijn
andere manieren, maar die zullen niet worden gebruikt en zijn dus minder belangrijk voor dit
onderzoek. Eerst wordt theoretisch bepaald wat de beste sacharide is, zoals beschreven in het vorige
stukje.
Tijdens het groeien wordt de waargenomen spanning over een weerstand met een bepaalde waarde
gemeten. Via formule (3) kan dan worden berekend wat het efficiënte vermogen van de MFC is bij die
weerstand. Deze kan vervolgens gedeeld worden door het oppervlakte van de beperkende elektrode
(dit is vaak de kathode) of door het totale volume van de MFC. Zo is het makkelijker om verschillende
MFC’s met verschillende groottes te vergelijken. In dit onderzoek zijn alle elektrodes en MFC’s even
groot, dus is dit niet nodig voor de vergelijking van de verschillende MFC’s.
Als laatste zal een polarisatie- en vermogenscurve worden gemaakt. Door de spanning te meten over
verschillende externe weerstanden, kan via de formules (1) en (3) zowel de stroom als het vermogen
worden bepaald. Bij een polarisatiecurve, zoals de bovenste grafiek in Figuur 9, wordt de spanning (y-
18
MFC’s: batterijen van bacteriën
as) uitgezet tegen de stroom (x-as). Als sprake is van een hoge interne
weerstand, is dit ongeveer een lineaire lijn (de gestippelde lijn in het
figuur), waaruit de precieze interne weerstand en de OCV kunnen
worden afgeleid. De OCV is namelijk het snijpunt met de y-as (als er
geen stroom is). Vervolgens is door formule (2) te gebruiken af te
leiden dat de richtingscoëfficiënt de waarde van de interne weerstand
hoort te zijn. De klemspanning begint namelijk hoog bij een heel lage
stroom, als de OCV gelijk is aan de klemspanning. Zodra de stroom
groter wordt, zal volgens formule (2) de klemspanning kleiner worden,
omdat de spanning over de interne weerstand groter wordt en E
ongeveer gelijk zal blijven (in vergelijking met het grote verlies door de
interne weerstand verwaarloosbaar). De helling van deze grafiek is de
interne weerstand, omdat de grafiek de volgende vorm zal hebben: Ek
= y = a – bx = OCV – b*I. Als deze formule wordt vergeleken met
formule (2), valt op dat b (de richtingscoëfficiënt) gelijk moet zijn aan Figuur 9: Potentiaal en
vermogenscurve
de interne weerstand.
Als de interne weerstand redelijk laag is, zal de grafiek in drie delen te verdelen zijn (de doorgetrokken
lijn in de afbeelding):
(i) een redelijk steile helling waar de activatieverliezen vooral belangrijk zijn,
ii) een minder sterke, lineaire daling door de Ohmse verliezen, en
(iii) een enorm snelle val aan het eind van de grafiek door de concentratieverliezen.
Het is echter niet waarschijnlijk dat de gebruikte MFC’s een lage interne weerstand zullen hebben,
aangezien MFC’s met zoutbruggen vaak een hogere interne weerstand hebben. (7)
De vermogenscurve, de onderste grafiek in Figuur 9, wordt berekend vanuit de waardes uit de
potentiaalcurve met behulp van formule (3): het vermogen is gelijk aan de vermenigvuldiging van de
stroom met de spanning. Het is een grafiek waarin het vermogen op de y-as wordt uitgezet tegen de
stroom op de x-as.. Bij een hoge interne weerstand wordt dit een paraboolachtige functie (gestippelde
lijn), aangezien bij een lage stroom of een laag voltage het vermogen ook heel laag is. In het begin stijgt
de functie sterk, omdat de stroom ook stijgt. Dan is er een maximum en vervolgens daalt hij weer,
doordat de spanning over de externe weerstand afneemt. Voor lagere weerstanden (doorgetrokken
lijn) stijgt de grafiek eerst meer lineair, waarna hij tot een maximum komt en zeer snel daalt tot een
vermogen van 0.
Uit de vermogenscurvegrafiek kan het maximale vermogen worden afgeleid door de top van de
trendlijn door de punten te berekenen.
19
MFC’s: batterijen van bacteriën
3.5 Sachariden
In dit onderzoek werd onderzocht of de soort sacharide uitmaakt voor de prestatie van de MFC.
Daarom is het belangrijk te snappen wat sachariden zijn en waarom er zoveel verschillende soorten
zijn. Sachariden zijn moleculen die alleen bestaan uit de elementen koolstof, zuurstof en waterstof. De
algemene formule voor elke groep sachariden is Cn(H2O)m, wat betekent dat het aantal koolstofatomen
onafhankelijk is van het aantal waterstof- en zuurstofatomen. Wel zijn er vaak precies twee keer zoveel
waterstofatomen als zuurstofatomen. (13)
Sachariden worden verdeeld in vier groepen, waarvan de eerste twee ook ‘suikers’ worden genoemd.
Deze drie groepen zijn: (4)
1. Monosachariden: bestaan uit 1 molecuul en hebben de algemene formule (CH2O)n.
2. Disachariden: bestaan uit een verbinding tussen 2 monosachariden.
3. Oligosachariden: verbindingen die bestaan uit meerdere monosachariden, maar niet heel veel
(3 tot 9). Deze komen niet veel voor en zullen verder niet worden behandeld in dit onderzoek.
4. Polysachariden: heel veel monosachariden achter elkaar.
Bacteriën kunnen net als mensen di- en polysachariden niet in één keer gebruiken als energiebron: ze
moeten eerst worden afgebroken tot monosachariden. Voor het afbreken van bijvoorbeeld lactose
moeten eerst door de bacterie enzymen worden gemaakt, die lactose de cel in laten en afbreken tot
galactose en glucose. Het produceren van deze enzymen kan niet elke bacterie, dus niet elke bacterie
kan lactose als energiebron gebruiken. Het maken van deze enzymen kost natuurlijk energie. (6) Deze
energie kan de bacterie niet meer steken in haar groei, zodat waarschijnlijk minder bacteriën op de
anode zullen ontstaan. Dit betekent dat minder stroom in de MFC’s zal worden opgewekt, met als
gevolg dat het vermogen lager is.
Er zijn twee manieren om een monosacharide te
tekenen: de lineaire en de ringstructuur. Dit is gedaan
voor de monosacharide α-D-glucose in Figuur 10. Als ze
worden opgelost, vormen sachariden namelijk ringen,
zoals in de middelste tekening is uitgebeeld. Dit is een
chemisch evenwicht; er zal dus altijd een klein beetje
lineaire monosacharide in de oplossing blijven.
Er zijn veel verschillende soorten monosachariden.
Sommige hebben zelfs dezelfde molecuulformule, maar Figuur 10: verschillende manieren om monosachariden
hebben toch een andere naam (zoals glucose en te tekenen
fructose). Er zijn verschillende redenen waarom er zoveel monosachariden zijn. Ten eerste kan het
aantal C-atomen verschillen, af te lezen uit hun naam. Als een molecuul respectievelijk vier, vijf of zes
C-atomen heeft, wordt het een tetrose, pentose of hexose genoemd.
Daarnaast zijn er verschillen in de plaatsing van de verschillende groepen
(structuurisomerie: wel dezelfde molecuulformule, maar een andere ruimtelijke
oriëntatie (2)). Zo kan de carbonylverbinding (C=O) zich aan het eind van de lineaire
structuurformule bevinden (een aldehyde) of ergens in het midden van het
molecuul (keton). Als voorbeeld in Figuur 11 glucose en fructose: glucose is een
aldehyde, fructose is een keton. Als een monosacharide een aldehydegroep heeft,
wordt deze een aldose genoemd. Bij een ketongroep wordt deze een ketose
genoemd. (4)
Er is nog een reden waarom er zoveel verschillende sachariden zijn:
spiegelbeeldisomerie. Dit betreft moleculen waarvan het spiegelbeeld niet identiek Figuur 11:
is aan het originele molecuul, te herkennen aan een atoom (het chirale centrum) structuur-isomerie
met vier verschillende zijgroepen. In Figuur 10 zitten aan koolstofatoom 2 bijvoorbeeld vier
verschillende groepen: een waterstofatoom, een hydroxylgroep (-OH), een aldehyde (-CHO) en de rest
20
MFC’s: batterijen van bacteriën
van het molecuul. In de lineaire structuur zijn vier van dit soort chirale koolstofatomen aan te wijzen
(koolstofatoom 2 tot en met 5), en in de ringstructuur zelfs vijf (koolstofatoom 1 tot en met 5, omdat
koolstofatoom 1 nu anders in het molecuul ligt). In de ringstructuur zijn alleen al 25, dus wel 32
verschillende isomeren aan te wijzen voor suikers met dezelfde structuurformule als glucose. Het
verschil tussen deze moleculen lijkt heel klein, maar heeft grote gevolgen: de ene sacharide reageert
anders dan de andere sacharide, wat misschien ook invloed heeft op het vermogen in de MFC.
De twee spiegelbeeldisomeren die extra ontstaan in de ringstructuur van het molecuul, worden
aangeduid als α en β. Doordat de vorming van de ringstructuur een evenwichtsreactie is, zal elke
seconde een deel van de ringstructuur weer naar de lineaire vorm gaan, en omgekeerd. Als een α-Dglucose weer wordt omgezet tot een lineaire glucose, kan deze lineaire glucose terug worden omgezet
tot zowel de α- als de β-versie. Er wordt toch onderscheid gemaakt, omdat soms slechts de ene vorm
kan reageren. Via de lineaire structuur zal echter uiteindelijk bijna alles reageren.
Di- en polysachariden ontstaan uit monosachariden door een condensatiereactie: een reactie waarbij
een groter molecuul ontstaat en een kleiner molecuul wordt afgesplitst – in dit geval water. Als
voorbeeld de reactie voor het ontstaan van lactose, de disacharide die ontstaat uit galactose en
glucose:
Galactose (C6H12O6) + glucose (C6H12O6) → lactose (C12H22O11) + water (H2O)
Nu is duidelijk te zien waar de algemene molecuulformule Cn(H2O)m vandaan komt: er ‘mist’ een
watermolecuul door de condensatiereactie.
3.5.1 In dit onderzoek gebruikte sachariden
Hieronder zullen de verschillende sachariden die in dit onderzoek zijn gebruikt, worden besproken.
Glucose
Glucose is de meest voorkomende monosacharide in de natuur. In Figuur 12 is
α-D-glucose te zien in zijn ringstructuur. De molecuulformule van glucose is
C6H12O6; het is dus een hexose. Ook heeft het een aldehydegroep, dus is het
een aldose. (2)
De molecuulmassa is 180,16 u en hij heeft een Gibbs-vrije energie van formatie
van -915,90 kJ/mol. (14) De halfreactie is:
C6H12O6 (s) + 6 H2O (l) → 6 CO2 (g) + 24 H+ (aq)+ 24 eFiguur 12: α-D-glucose
Fructose
Fructose is net als glucose een monosacharide die bestaat uit 6
koolstofatomen en dus ook een hexose. Het heeft dezelfde
molecuulformule C6H12O6. Het grote verschil met glucose is dat fructose
een ketose is: het heeft dus in de lineaire structuur een ketongroep.
De molecuulmassa en de halfreactie zijn hetzelfde als die van glucose,
aangezien ze dezelfde molecuulformule hebben. Wel hebben ze een iets
verschillende Gibbs-vrije energie van formatie: voor fructose bedraagt
deze -915,51 kJ/mol. (14) Bij dezelfde verbranding als glucose (weer door
dezelfde structuurformule) ontstaat dus iets meer energie, omdat de
Gibbs-vrije energie van formatie van fructose van de Gibbs-vrije energie Figuur 13: ß-D-fructose
van de reactieproducten moet worden afgetrokken. Fructose heeft een iets hogere waarde (nog wel
negatief) en uiteindelijk zal dus een negatievere waarde ontstaan, wat betekent dat meer energie vrij
kan komen. Een volledige berekening volgt in 3.5.2 Theoretische waardes voor MFC’s.
21
MFC’s: batterijen van bacteriën
Lactose
Lactose is de disacharide die ontstaat uit β-D-galactose en α-D-glucose.
(15)
Veel mensen kennen het als melksuiker, aangezien melk deze
sacharide bevat en de allergiereactie voor melk (lactose-intolerantie)
door deze stof wordt geactiveerd.
Lactose heeft de molecuulformule C12H22O11 en dus een molecuulmassa
van 342,30 u. De Gibbs-vrije energie van formatie van lactose is -1567,33
kJ/mol. (14) De halfreactie van lactose gaat als volgt:
C12H22O11 (s) + 13 H2O (l) → 12 CO2 (g) + 48 H+ (aq)+ 48 e-
Figuur 14: Lactose
Sacharose
Sacharose, ook bekend als sucrose of tafelsuiker, is de
sacharide die normaal wordt gebruikt in de keuken. Het
bestaat uit een glucose- en een fructosemolecuul. (15)
Sacharose heeft dezelfde molecuulformule en halfreactie
als lactose. Wel heeft het – zoals fructose verschilde van
glucose – een net iets andere waarde voor de Gibbs-vrije
energie van formatie: namelijk -1564,70 kJ/mol. (14)
Figuur 15: Sacharose
Zetmeel
Zetmeel is een mengsel van de polymeren amylose en amylopectine.
Amylose is de niet-vertakte variant; de amylopectine heeft sterk
vertakte ketens. Zetmeel wordt gebruikt door planten om glucose in
hun cellen te kunnen opslaan. De lengte van de ketens en de
verhouding amylose en amylopectine kunnen sterk verschillen.
Zetmeel bestaat uit een keten van heel veel α-D-glucosemoleculen
achter elkaar. Dit is te zien in Figuur 16, waarbij de n onderin staat
voor een zeer groot getal. De molecuulformule is (C6H10O5)n, waarbij
eigenlijk de eerste en de laatste glucosemonomeer van zetmeel Figuur 16: Zetmeel
worden verwaarloosd. Een preciezere molecuulformule zou dan ook zijn C6H11O6-( C6H10O5)n-2-C6H11O5,
maar dit is lastig op te schrijven en te verwaarlozen bij heel lange ketens, zoals in het geval van zetmeel.
De gemiddelde molecuulmassa van het merk zetmeel dat is gebruikt (Fisher Chemical, Starch (soluble))
is niet bekend, aangezien de precieze ketenlengte niet bekend is. Ook de Gibbs-vrije energie van
formatie is ons onbekend. Hierdoor zal het niet mogelijk zijn de precieze waarde van de maximale
spanning in een MFC voor zetmeel te berekenen.
De halfreactie van zetmeel in zijn algemene vorm is:
(C6H10O5)n (s) + 7n H2O (l) → 6n CO2 (g) + 24n H+ (aq) + 24n e3.5.2 Theoretische waardes voor MFC’s
Met de formules uit het stuk 3.4.3 Analyse van de MFC kan de tweede deelvraag worden behandeld,
waarvoor moet worden berekend wat theoretisch de maximale waarde is die de verschillende soorten
sachariden kunnen bereiken, als ze worden toegevoegd in de concentraties die wij ook hebben
toegevoegd. Hierbij is belangrijk dat dit de theoretische waardes zijn: in de praktijk zal, zoals eerder
gezegd, veel energieverlies optreden. Ook kon de concentratie van de verschillende stoffen niet altijd
constant worden gehouden. Daarom wordt gerekend met de concentraties van stoffen in het begin.
Er zullen tijdens het maken van de potentiaalcurves al stoffen zijn gebruikt, waardoor de gemeten
waarde lager zal liggen dan de theoretische waarde.
Hiervoor moesten een paar aannames worden gedaan. Eerst is aangenomen dat de concentratie CO2
gelijk is aan de concentratie CO2 in water bij een temperatuur van 20 °C, namelijk 38,8 * 10-3 mol/L. (15)
De concentratie H+ werd gemeten door de pH te meten van het medium in het begin; deze bleek
precies 7,000 te zijn. Hieruit volgt dat de concentratie H+ wel 10-7,000 moet zijn. Alle constanten zijn
afkomstig uit de BiNaS, 6e editie.
22
MFC’s: batterijen van bacteriën
In dit voorbeeld zal dezelfde oxidator worden gebruikt als in het onderzoek, namelijk het
permanganaat-ion (MnO4-). Het wordt volgens de volgende halfreactie gereduceerd:
MnO4- (aq) + 8 H+ (aq) + 5 e- → Mn2+ (aq) + 4 H2O (l)
Om hiervan de Gibbs-vrije energie te berekenen, moet de concentratie bekend zijn van zowel het
manganase-ion (Mn2+) als MnO4- en H+. De laatste twee worden toegevoegd aan het water in een
bekende concentratie, maar demi-water bevat geen opgelost Mn2+. Hierdoor zou de reactiequotiënt
(formule (6)) nul moeten zijn. Uit vergelijking (8) volgt dat de electromotive force van de kathode
oneindig groot moet zijn, omdat de ln(0) = ∞. Dit zal echter nooit zo zijn, aangezien binnen een paar
seconden genoeg Mn2+ is geproduceerd door de redoxreactie. Daarom is in overleg met onze
scheikundedocent besloten om de theoretische waarde te berekenen met de
standaardelektrodepotentiaal, te vinden in BiNaS tabel 48: +1,51 V. (15)
Als voorbeeld zal hieronder de berekening voor glucose gegeven worden:
Als eerst moet de standaard Gibbs-vrije energie van de reactie worden berekend met formule (4):
∆G =
∆G
−
∆G
=
(−915,9 + 6 ∗ −237,189) − (6 ∗ −394.37) = 27,186 kJ/mol
Vervolgens kan hiermee de standaard elektrodepotentiaal berekend worden met formule (7)
W
∆G
E
= = −
=
Q
∗F
− 27,186 ∗ 10
≈ − 0.01174 V
24 ∗ 9,64853365 ∗ 10
(11)
(12)
Vervolgens kan de reactiequotiënt worden berekend door formule (6) om te bouwen en hier de
reactievergelijking voor glucose in te vullen, zoals in het stuk hierboven vermeld. Er werd 0,1 g glucose
opgelost; de concentratie van glucose valt dus te berekenen door 0,1 te delen door 180,156 (de
molaire massa van glucose):
π=
0,1
180,156
38.8 ∗ 10 ∗ (10
=
∗
(13)
,
)
≈ 1,63 ∗ 10
Dit lijkt veel, maar hiervan moet nog een logaritme worden gemaakt. Vervolgens kan met de uitkomst
van formule (12) en (13) en de formule (8) (vergelijking van Nernst) zelf de theoretische
elektrodepotentiaal worden berekend:
R∗T
E
= E
−
ln π =
n∗F
(14)
8.3144621 ∗ 293,15
− 0.01174 −
ln(1,63 ∗ 10 ) ≈ −0,4315 V
24 ∗ 9,64853365 ∗ 10
Dit is gedaan voor elke sacharide, zoals te zien in de tabel hieronder. Door formule (9) te gebruiken en
als elektrodepotentiaal voor de kathode +1,51 te nemen, valt ook de theoretische waarde te
berekenen voor een MFC.
Sacharide
Glucose
Fructose
Lactose
Sacharose
Zetmeel
Eanode
Ekathode
EMFC
-0,4315
-0,4317
-0,4410
-0,4416
Onbekend
1,51
1,51
1,51
1,51
1,51
1,9415
1,9417
1,9510
1,9516
Onbekend
23
MFC’s: batterijen van bacteriën
Dit zijn geen enorm grote verschillen. In gedachten moet worden gehouden dat bacteriën de
disachariden eerst moeten afbreken tot monosachariden, wat ook energie kost. Die energie kunnen
de bacteriën niet steken in het groeien, waardoor uiteindelijk minder bacteriën op de anode zullen
ontstaan. Minder bacteriën die elektronen aan de anode kunnen geven, betekent minder stroom in
totaal, en minder stroom betekent waarschijnlijk een minder hoog vermogen.
3.6 Afvalwater (16)
Nu worden MFC’s vooral nog gebruikt in het laboratorium, maar in de toekomst zullen ze misschien
een heel andere plek hebben. Nu worden nog dure, zuivere stoffen gebruikt, maar het is de bedoeling
dat uiteindelijk de MFC’s op afvalwater kunnen werken. Afvalwater moet nu nog gezuiverd worden
met een proces waarbij veel energie wordt gebruikt, maar met MFC’s kan afvalwater worden gezuiverd
terwijl tegelijkertijd energie wordt geproduceerd! Dit is nu nog niet mogelijk, omdat het nog niet
effectief genoeg en het te duur is. (11) Daarom wordt in dit onderzoek gebruikgemaakt van een MFC
die werkt op synthetisch afvalwater – nagebootst afvalwater. Om zo dicht mogelijk bij de werkelijkheid
te blijven met het synthetisch afvalwater, moest eerst worden uitgezocht wat in echt afvalwater zit.
3.6.1 Waar komt het voornamelijk vandaan
Afvalwater is een ruim begrip: het ontstaat bij alle productieprocessen, maar ook in alle huishoudens,
als het regent, en bijvoorbeeld in de scheepvaart. Vanuit de huishoudens verdwijnt het rechtstreeks in
het riool, waarna het richting de waterzuivering gaat.
Bij grootschalige processen wil het nog weleens voorkomen dat veel schadelijke stoffen vrijkomen in
het afvalwater. Als dit het geval is, wordt het eerst op een speciale en specifieke manier gereinigd: de
schadelijke stoffen worden verwijderd (voor zowel de volksgezondheid als de duurzaamheid van de
zuiveringsinstallaties) en deze stoffen worden allemaal veilig opgeslagen of afgebroken. Na dit proces
kan het water richting de reguliere zuiveringsinstallaties, waar het met het water uit normale
huishoudens wordt samengevoegd en gereinigd.
3.6.2 Welke stoffen zitten er in afvalwater
In zuiveringsinstallaties worden veel testen gedaan om te bepalen welke stoffen in welke concentraties
in het afvalwater zitten, door middel van het nemen van monsters. Dit is belangrijk om vast te stellen
of de zuivering efficiënt verloopt, of bepaalde ongewenste (schadelijke) stoffen geloosd worden door
bedrijven, en voor bijvoorbeeld wetenschappelijk onderzoek. Natuurlijk bevat het water veel
verschillende stoffen; alleen het deel met de hoogste concentraties kan gemeten worden. De rest
wordt berekend met de Volkert Bakkermethode (17), een methode voor het gebruik van de
detectiegrenzen.
De variatie van verschillende stoffen is heel groot; alleen met de metingen van de belangrijkste en
meest voorkomende stoffen wordt iets gedaan. De overige stoffen zijn in zulke kleine hoeveelheden
aanwezig dat dit geen invloed zal hebben op enig proces of schade kan aanrichten aan het milieu. Deze
stoffen zijn soms wel van invloed op de bacteriën of andere micro-organismen. In de informatie van
de RWZI Noorderzijlvest, locatie waterzuiveringsinstallatie te Gaarkeuken, zijn hoeveelheden van
stoffen te zien. Het was echter niet mogelijk om met deze informatie zelf het recept te maken voor
synthetisch afvalwater. Veel belangrijke stoffen voor ons onderzoek, zoals sachariden en bepaalde
zouten, waren namelijk niet duidelijk aangegeven. Na contact met RWZI Noorderzijlvest bleek dat voor
dit onderzoek te specifieke concentraties nodig waren, die zij niet konden bieden.
Zie de bijlage voor een overzicht van de concentraties van organische stoffen in de afvalwatermonsters
van de waterzuivering bij Gaarkeuken, die onder het Waterschap Noorderzijlvest valt.
3.6.3 Het zuiveringsproces
Het reinigen van het afvalwater gebeurt in een aantal stappen. De eerste stap is dat alle grove stoffen,
zoals bladeren en takken, uit het water worden gefilterd. Dit gebeurt met een groot raster. Als dit is
gebeurd, wordt het water voor langere tijd in een stilstaand bassin opgeslagen, de voorbezinking. In
dit bassin vindt bezinking plaats: alle grotere slib- en zanddeeltjes zinken naar de bodem en worden
24
MFC’s: batterijen van bacteriën
vervolgens afgevoerd. Soms is er nog de mogelijkheid om vet af te vangen: dit is voornamelijk bedoeld
om te zorgen dat zich geen vetlagen vormen in de rest van het zuiveringsproces. Dit wordt de primaire
zuivering genoemd.
Als dit proces enige tijd heeft plaatsgevonden, gaat het water naar de volgende stap, de secundaire
zuivering, waarin een aantal processen plaatsvindt. Hier worden de organische stoffen uit het
afvalwater gezuiverd, onder andere met behulp van micro-organismen. Hieronder vallen bacteriën,
maar ook andere eencelligen en meercelligen, die samen het actieve slib worden genoemd. Door de
organische stoffen als voedsel te gebruiken, voeden en vermeerderen de organismen zich. Op die
manier vormen ze slibvlokken. In de beluchtingstanks wordt gezorgd dat de organismen voldoende
zuurstof krijgen; dit proces is dan ook aeroob. Ook wordt het water in beweging gehouden, zodat het
actieve slib niet bezinkt en optimaal kan functioneren. Tijdens de groei van het actieve slib worden ook
andere stoffen die als voedingsbron voor deze micro-organismen kunnen dienen, uit het water
gefilterd, zoals fosfaat en manganaat (tertiaire zuivering).
Na de beluchtingstanks wordt het water verplaatst naar de nabezinkingstanks, waar het actieve slib
bezinkt. Dit actieve slib kan worden vergist, waarbij o.a. biogas ontstaat. Bij het verder zuiveren van
het water tot drinkwater wordt het water in de quaternaire zuivering gezuiverd met zandfiltratie,
ultrafiltratie, ozonisatie en een uv-behandeling. Hierdoor worden bepaalde ziekteverwekkers gedood
en is het water geheel gezuiverd van alle schadelijke en niet-opgeloste stoffen. De duur, omvang en
volgorde van de genoemde stappen kunnen per waterzuiveringsinstallatie verschillen. In Figuur 17 is
een schematische weergave van een zuiveringsproces te zien.
Figuur 17: Globale schematische weergave van het zuiveringsproces
3.6.4 Synthetisch
Synthetisch afvalwater is water waarin de concentraties en de soorten stoffen zo goed mogelijk
worden nagebootst. Hierbij wordt geprobeerd zo dicht mogelijk bij de concentraties en soorten te
blijven die aanwezig zijn in het afvalwater dat net de zuiveringsinstallatie binnenkomt. Synthetisch
afvalwater wordt gebruikt voor onderzoek naar aan afvalwater gerelateerde projecten. Het is geliefd
bij deze onderzoeken omdat het heel makkelijk is om concentraties te variëren en zo verschillende
parameters te belichten. Het is ook mogelijk om het water heel steriel te houden, waardoor ervan
uitgegaan kan worden dat andere factoren, bijvoorbeeld onvoorziene bacteriën, de resultaten niet
kunnen beïnvloeden.
3.6.5 Zuivering met MFC’s
Zoals beschreven wordt nagezuiverd met behulp van bacteriën. In MFC’s zou het grote verschil zijn dat
deze stap anaeroob zou plaatsvinden. Dit kost minder energie, aangezien niet de hele tijd zuurstof
door deze tank moet worden gepompt en het water niet in beweging hoeft te worden gehouden, wat
25
MFC’s: batterijen van bacteriën
veel energie kost. De bacteriën in een MFC kunnen het afvalwater net zo goed zuiveren, maar met
MFC’s zal dit op den duur juist energie opleveren.
4. Hypothese
Na alle theorie is behandeld, valt een hypothese op te stellen over de onderzoeksvraag. Dit kan vooral
gedaan worden met de theoretische berekening welke suiker de beste spanning geeft, met de
achtergrond dat di- en polysachariden eerst moeten worden afgebroken tot monosachariden, wat de
bacteriën energie kost (die ze niet meer kunnen steken in bijvoorbeeld het groeien). De hypothese is
dan ook dat de monosacharide fructose het hoogste vermogen zal opleveren in een MFC.
26
MFC’s: batterijen van bacteriën
5. Materiaal en methode
Voor de overzichtelijkheid is het onderzoek in verschillende stukken verdeeld. Voor elk stuk zullen het
materiaal en de methode besproken worden.
De methode is samengesteld op advies van Tom Sleutels, een op het internet gevonden methode om
anaeroob medium te maken, genaamd Preparation of Pre-reduced Media for Anaerobic Culture (18), en
de thesis van Annemiek ter Heijne: Improving the Cathode of a Microbial fuel Cell for efficient electricity
production. (1)
Hier moet nogmaals worden gezegd dat in het begin van het onderzoek de onderzoeksvraag anders
was gesteld. Het was de bedoeling om naast de beste sacharide ook de beste bacteriecombinatie te
vinden. De verwachting was dat sommige bacteriecombinaties veel beter zouden kunnen omgaan met
een bepaald soort sacharide dan andere bacteriecombinaties: sommige bacteriën kunnen een bepaald
soort sacharide niet verwerken. Als de bacteriecombinaties los zouden worden getest voor één
bepaalde sacharide, zou uit de resultaten blijken welke bacteriecombinatie die sacharide het beste kan
gebruiken. Dit geldt ook andersom: als met slechts één bacterie getest zou worden, zou uit de
resultaten alleen blijken wat de beste sacharide is voor precies die bacterie, niet voor de MFC in het
algemeen. De verwachting was dat de beste bacteriecombinatie voor elke sacharide vanzelf door de
natuurlijke selectiedruk in de MFC zou ontstaan door veel verschillende soorten bacteriën te nemen
en die een tijd te laten groeien in elke MFC: de bacteriën die het best met de betreffende sacharide
kunnen omgaan, zullen het snelst groeien en dus het meest voorkomen in de biofilm rond de anode.
Het eerste plan was om, nadat de MFC’s getest waren, ook de bacteriën op de anode te testen. De
benodigdheden voor een goede test waren helaas niet op school aanwezig. Er is geprobeerd om via
de Rijksuniversiteit Groningen aan deze benodigdheden te komen. Dit bleek helaas niet mogelijk, en
toen waren de opstellingen al draaiende. Hierdoor is de methode wellicht niet optimaal.
Zie Bijlage 2 voor foto’s van het proces.
5.1 Materiaal
De volgende materialen zijn gebruikt in het onderzoek, opgeknipt in dezelfde kopjes als de methode:
Steriliseren
 Brandspiritus of ethanol
 Bunsenbrander
 Incubator op 122 °C
Bacteriën opkweken
 Infuusfles van 1 L met doorprikbare dop;
 Bunsenbrander;
 2 grote bekerglazen van 2 L
 Demi-water;
 0.74 g KCl;
 0.58 g NaCl;
 0.68 g KH2PO4;
 0.87 g K2HPO4;
 0.28 g NH4Cl;
 0.1 g MgSO4·7H2O;
 0.1 g CaCl2 2H2O;
 0,15 g Marmite (gistextract);
 0,1 g glucose;
 0,1 g fructose;
 0,1 g lactose;
 0,1 g sacharose (kristalsuiker van het merk Van Gilse);
27
MFC’s: batterijen van bacteriën














0,1 g zetmeel;
4,60 g Fe(III)Cl3·6 H2O (17 mM, zie bron (1));
Methyleenblauw;
Metalen doppen;
Glazen roerstok;
0,5 g Cysteïne-HCl;
Kartonnen wegwerpbeker;
Glazen trechter;
Rubberen slang;
Vloeibare stikstof;
Modder of slootwater: iets waar anaerobe bacteriën in zitten;
Redelijk fijne zeef (mazen van 1 mm);
Steriele spuit
Steriele naald.
MFC-onderdelen voorbereiden
 24 koolstofelektrodes (40,0 mm x 40,0 mm x 4,05 mm);
 Acrylkit;
 Spatel;
 Schuifmaat;
 Parafilm;
 IJzerdraadjes;
 12 aquariumbuisjes (ongeveer 25 cm lang);
 12 gelijke glazen U-buizen;
 Demi-water;
 18,0 g KCl voor de zoutbruggen en 223,65 g/L voor de 3M KCl-oplossing;
 18,0 g agar;
 (Een oxidator en reductor);
 (koolstof-elektrodes);
 (multimeter of ampèremeter);
 12 bekerglazen van 400 ml;
 Aluminiumfolie.
MFC-elektrolyten voorbereiden
 Demi-water;
 KMnO4;
 H2SO4 (zwavelzuur);
 Erlenmeyer van 3 L;
 6 infuusflessen van 1 L;
 Incubator;
 Steriele omgeving (zie Steriliseren)
 4.81 g KCl;
 3.77 g NaCl;
 4.42 g KH2PO4;
 5.66 g K2HPO4;
 01.82 g NH4Cl;
 0.65 g MgSO4 · 7 H2O;
 0.65 g CaCl2 · 2 H2O;
28
MFC’s: batterijen van bacteriën














0,98 g Marmite (gistextract);
Paar druppels methyleenblauw;
Maatcilinder
Stift om te labelen
3,0 g cysteïne-HCl
0,1 g glucose;
0,1 g fructose;
0,1 g sacharose;
0,1 g lactose;
0,1 g zetmeel;
Microscoop;
Objectglaasjes en dekglaasjes;
Steriele spuiten;
Steriele naalden.
MFC’s in elkaar zetten
 Steriele omgeving (zie Steriliseren)
 12 steriele anode-bekerglazen (zie MFC-onderdelen voorbereiden)
 12 Geprepareerde aquariumbuisjes met zwanenhals (zie MFC-onderdelen voorbereiden)
 Ducttape
 12 steriele spuiten
 Parafilm
 12 geprepareerde elektrodes met ijzerdraad-ondersteuning (zie MFC-onderdelen
voorbereiden)
 12 geprepareerde zoutbrug (zie MFC-onderdelen voorbereiden)
 Demi-water
 12 bekerglazen van 300 ml voor de kathode
 12 geprepareerde elektrodes (zie MFC-onderdelen voorbereiden)
 12 glazen trechters
 Spatel
 De 6 verschillende media (zie MFC-elektrolyten voorbereiden)
 De aangezuurde KMnO4-oplossing (zie MFC-elektrolyten voorbereiden)
 24 elektriciteitsdraden
 24 krokodillenklemmen
 12 weerstanden van +/- 825 Ω
Testen
 De MFC’s (zie MFC’s in elkaar zetten)
 Multimeter
 Verschillende andere externe weerstanden:
 12,4 Ω;
 22,5 Ω;
 68,3 Ω;
 148,8 Ω;
 221 Ω;
 561 Ω;
29
MFC’s: batterijen van bacteriën


 826 Ω;
 1.005 Ω;
 1.201 Ω;
 1.798 Ω;
 6.810 Ω;
 22.000 Ω;
 270.000 Ω;
 1.007.000 Ω.
Computer met Excel
Grafische rekenmachine
5.2 Methode
In het volgende stuk zal zo precies mogelijk worden beschreven hoe het onderzoek is opgezet. Het is
opgeknipt in verschillende stukken tekst met verschillende kopjes.
Steriliseren
Het onderzoek moet onder steriele omstandigheden plaatsvinden. Aangezien op school niet de
perfecte anaerobe omstandigheden kunnen worden gecreëerd voor de MFC’s, zullen de aanwezige
aerobe bacteriën in de MFC’s ook een deel van de sachariden gebruiken. Om deze ‘verspilling’ zo veel
mogelijk tegen te gaan, moeten zo veel mogelijk aerobe bacteriën worden uitgesloten. Er moeten zo
veel mogelijk verschillende anaerobe bacteriën in de MFC’s komen, dus geldt dit niet voor anaerobe
bacteriën.
Daarom is elke handeling waarbij de bacteriën konden worden blootgesteld aan aerobe bacteriën,
bijvoorbeeld het overgieten van het medium met bacteriën in de MFC’s, gebeurd in een zo steriel
mogelijke omgeving. Deze werd gecreëerd door eerst te tafel te ontsmetten met brandspiritus of
ethanol en vervolgens de bunsenbrander met een blauwe vlam, soms twee voor een grotere
werkomgeving, aan te laten staan.
Gereedschap, zoals spatels, kan worden gesteriliseerd door het in een blauwe vlam te houden.
Eventueel kan het daarna worden afgekoeld in ethanol, wat het nog steeds steriel maakt.
Daarnaast is al het glaswerk gesteriliseerd, zowel de bekerglazen voor de anode van de MFC als de
infuusflessen voor het medium. Over de bekerglazen moet een laag aluminiumfolie (niet te strak) en
de doppen op de infuusflessen mogen niet te strak worden vastgedraaid. Dit werd gedaan door het
glaswerk in de incubator of autoclaaf (een soort oven) te plaatsen op een temperatuur van ongeveer
122 °C, zodat ook de endosporen vergaan.
Oplossingen worden het liefst gesteriliseerd onder hoge druk, zoals in een snelkookpan of een echte
autoclaaf. Dit was echter niet mogelijk in dit onderzoek, door het ontbreken van een snelkookpan die
groot genoeg was om 1 L medium in één keer te steriliseren. Daarom is ervoor gekozen om zo veel
mogelijk bacteriën te doden door de flessen een nacht in de incubator te laten staan bij ongeveer
100°C, zodat de meeste bacteriën dood zullen gaan.
Bacteriën opkweken
De bacteriën zijn gehaald uit tuinmodder uit Niekerk (gemeente Grootegast), wadmodder uit het wad
bij de jachthaven van Schiermonnikoog en grachtwater uit de stad Groningen. Al deze monsters zijn
niet direct aan het oppervlakte genomen, maar een stuk onder het oppervlak, vanwege de anaerobe
omstandigheden daar. Hierin zaten naar verwachting niet genoeg bacteriën, dus moest eerst een
medium worden gemaakt waarin de bacteriën konden worden opgekweekt. Dit medium moest tevens
zorgen dat ongeveer evenveel van elke bacteriesoort beschikbaar zou zijn voor de MFC’s.
Voor het beginnen van het onderzoek werd eerst een 1 L-infuusfles gesteriliseerd. Dit is gedaan zoals
beschreven onder het kopje Steriliseren.
30
MFC’s: batterijen van bacteriën
Vervolgens werd er 900 mL demiwater gekookt in een (niet-steriel) bekerglas, met de hulp van een
bunsenbrander. Als dit ongeveer kookt, moeten de volgende stoffen worden toegevoegd: B
 0.74 g KCl;
 0.58 g NaCl;
 0.68 g KH2PO4;
 0.87 g K2HPO4;
 0.28 g NH4Cl;
 0.1 g MgSO4 · 7H2O;
 0.1 g CaCl2 · 2 H2O;
 0,15 g Marmite (gistextract); C
 0,1 g glucose;
 0,1 g fructose;
 0,1 g lactose;
 0,1 g sacharose (kristalsuiker);
 0,1 g zetmeel;
 4,60 g Fe(III)Cl3·6 H2O (17 mM, zie bron (1)).
Dit werd afgekoeld tot kamertemperatuur. Daarna werd het in een steriele omgeving overgegoten in
de steriele 1 L-infuusfles. Daarna werd het aangevuld tot 1,0 L met demiwater; enkele druppels
methyleenblauw werden toegevoegd als zuurstofindicator, totdat de oplossing gekleurd was van geel
naar legergroen. Methyleenblauw is blauw (in het gele medium dus groen) als veel zuurstof in de
oplossing is opgelost, en doorzichtig als dat niet het geval is (dus geel in het gele medium).
Toen werd in een 2 L-bekerglas een waterbad gemaakt door hierin een laagje water te doen en dit aan
de kook te brengen. In dit waterbad werd de infuusfles geplaatst, ondersteund door metalen doppen.
Dit werd met de hand met een glazen roerstok geroerd (aangezien het waterbad niet op een
magneetroerder-verwarmercombinatie gemaakt kon worden, doordat deze niet heet genoeg werd).
Nadat het water in het waterbad weer goed aan de kook was, werd 30 minuten lang al roerend
doorgekookt. Vervolgens werd 0,5 g Cysteïne-HCl toegevoegd door de inhoud van een L-cysteïnepil
van het merk Solgar aan het medium toe te voegen. Cysteïne wordt gebruikt om het zuurstof te laten
reageren, zodat het water geen zuurstof meer bevat. Dit werd al roerend vijf minuten doorgekookt.
Hierna was het medium een stuk geler, wat duidt op minder zuurstof.
De dop werd daarna snel op de fles gedraaid en de infuusfles werd uit het waterbad gehaald. Aan een
van de uiteindes van een rubberen slang werd een glazen trechter vastgemaakt en de andere kant
werd kort gesteriliseerd in de vlam. Een kartonnen weggooibeker werd voor een deel gevuld met
vloeibare stikstof, waarna de trechter hier stevig op werd gedrukt. De infuusfles werd opengemaakt in
de steriele omgeving en de andere kant van de rubberen slang werd in het medium gedaan. Hierdoor
werd gasvormige stikstof, dat ontstaat als het vloeibare stikstof gaat koken (bij kamertemperatuur),
B
Alle sachariden werden toegevoegd aan dit medium om niet alvast een voorselectie te maken van bacteriën
die een bepaalde sacharide goed kunnen omzetten. Om wel voor te selecteren op bacteriën die de latere
omstandigheden aankunnen, werden de zouten wel in de juiste concentraties toegevoegd en groeiden de
bacteriën bij dezelfde temperatuur. Het ijzer(III)chloride werd gebruikt als elektronenacceptor voor de bacteriën.
C
Puur gistextract bleek niet op school aanwezig te zijn en was lastig te bestellen. Eerst is geprobeerd dit zelf te
maken, maar dit bleek in een kleine test met vast medium niet gunstig te zijn voor bacteriegroei. Wegens de tijd
die het heeft gekost om het gistextract zelf te maken en te testen, is ervoor gekozen om het niet opnieuw te
proberen en Marmite te nemen als gistextract. Marmite is gistextract, maar hieraan zijn ook enkele zouten en
aroma’s toegevoegd.
Het gistextract is geprobeerd te maken door 15,59 g levend bakkersgist (merk: Dr. Oetker) op te lossen in 20 ml
water. Deze oplossing werd in de incubator gedaan op 50 °C voor 36 uur. Vervolgens werd het gefiltreerd en
gecentrifugeerd (2 minuten met 2000 rpm). Vervolgens werd de supernatant (de vloeistof boven in de buis)
ingedampt, waarna een poeder overbleef, het vermoedelijke gistextract.
31
MFC’s: batterijen van bacteriën
door het medium geleid. Hierdoor werd het medium nog minder zuurstofrijk, omdat dit gas zuurstof
verdringt. D Deze slang werd af en toe op een andere plek in het medium gedaan om de stikstof beter
te verdelen. De ruimte met lucht boven het medium in de infuusfles werd, nadat het medium ongeveer
op kamertemperatuur was, ook verzadigd met stikstof. Hierna werd snel de dop op de infuusfles
gedraaid.
Toen moesten de bacteriën in dit medium gedaan worden. In 400 ml grachtwater werd van beide
soorten modders 30,0 g opgelost. Dit werd vier keer door een redelijke fijne zeef (mazen van 1 mm)
gehaald om de grotere vervuilingen eruit te halen. Daarna werd met een steriele spuit 40,0 ml van
deze oplossing in het medium gespoten.
Dit medium met bacteriën, hierna basismedium genoemd, werd acht dagen op kamertemperatuur
gezet, zodat de bacteriën hierin konden groeien.
MFC-onderdelenvoorbereiding
Een schematische tekening van de gebruikte MFC’s staat in Figuur 18. De betekenissen van de kleuren
worden in het volgende stuk uitgelegd.
Figuur 18: Schematische tekening van de gebruikte MFC’s
Eerst moesten bepaalde delen van de MFC worden voorbereid, aangezien wegens de benodigde
redelijk steriele omstandigheden snel gewerkt moest worden.
Een van de onderdelen die moesten worden voorbereid, zijn de elektrodes. In dit onderzoek werden
vaste koolstofplaatjes (40,0 mm x 40,0 mm x 4,05 mm) gebruikt, aangezien die allemaal hetzelfde
oppervlak hebben en dit makkelijk meetbaar is (in tegenstelling tot het betere koolstofvilt, dat een
moeilijk te bepalen oppervlakte heeft door de draadachtige structuur, waardoor niet elke elektrode
een gelijk oppervlakte heeft). Tijdens het schoonmaken van de koolstofelektrodes viel op dat als de
elektrodes zich een lange tijd in water bevinden, het water heel troebel werd. Dit was waarschijnlijk
een verbinding van ijzer (waarschijnlijk roest, maar dit is niet zeker), afkomstig van het moertje op de
koolstofelektrode, dat gebruikt werd om de elektriciteitsdraad te verbinden met de koolstofelektrode.
D
De verwachting was dat deze hogere concentratie stikstof weinig invloed zou hebben op de bacteriën,
aangezien dit vaker wordt gedaan bij het kweken van anaerobe bacteriën. Aerobe bacteriën zullen echter door
het gebrek aan zuurstof sterven. Sommige bacteriën kunnen stikstofgas wel gebruiken als oxidator, waarbij dit
wordt omgezet naar NH3 (stikstof-fixatie). Dit ‘kost’ 16 ATP per stikstofmolecuul en kost dus energie. Wellicht
heeft dit invloed op de resultaten, maar de bacteriën zitten allemaal nog in dezelfde fles: het zal per sacharide
geen verschil maken.
32
MFC’s: batterijen van bacteriën
Dit is verholpen door eerst wat acrylkit over het moertje te spuiten en vervolgens twee lagen parafilm
te wikkelen om de bovenkant waar het moertje zich bevindt. Omdat onder het parafilm in ieder geval
een verminderde groei van bacteriën mogelijk is, is het oppervlakte dat bedekt werd bij de elektrodes
gelijk gehouden: 13,0 mm. Dit is afgemeten met een schuifmaat en vervolgens aangegeven door een
streepje in het koolstof te graveren met een spatel. Zo was er uiteindelijk een effectieve elektrode van
40,0 mm x 27,0 mm x 4,05 mm. In de schematische tekening is de parafilm aangegeven met de bruine
kleur aan de bovenkant van de elektrodes.
Verder zijn 12 van de 24 elektrodes, voordat ze in de MFC’s werden verwerkt, goed schoongemaakt
door met staalwol ze te schuren en vervolgens goed af te spoelen met water. Ook de weerstand werd
gemeten van de elektrodes; deze bleek rond de 2,0 Ω te zijn. Ook is geprobeerd met behulp van twee
ijzerdraadjes elke elektrode voor de anode (twaalf keer dus) zo dicht mogelijk in het midden van het
bekerglas te positioneren als vanaf boven wordt gekeken. De koolstofelektrode zelf rust op de
onderkant van het bekerglas. Deze elektrodes moeten zo veel mogelijk in het midden gepositioneerd
worden, aangezien de positie van de elektrode grote gevolgen heeft voor de interne weerstand. Ook
worden anaerobe bacteriën gekweekt, die zich voornamelijk onder in het bekerglas bevinden, zo ver
mogelijk van contact met lucht. Om zo dicht mogelijk bij deze bacteriën in de buurt te komen, worden
de elektrodes op de bodem gehangen. Hoe verder de elektrode van de zoutbrug afstaat, hoe groter
de weerstand voor de positieve ionen om bij de zoutbrug te komen. Om dit zo veel mogelijk gelijk te
houden, werd ervoor gekozen om de anode in het midden van het bekerglas te plaatsen. De
ijzerdraadjes zijn in Figuur 18 het groene aan de bovenkant van de bio-anode.
Daarnaast moesten de buisjes voor de anode ook worden gemaakt: de rode sliert in de schematische
weergave, die uitmondt in een spuit. Deze buisjes werden gemaakt van aquariumpompbuisjes en
werden met ijzerdraad (het groene streepje buiten de anode) in een zwanenhals gebogen. Deze buis
moest ervoor zorgen dat later makkelijk wat anode-elektrolyt kan worden weggehaald en toegevoegd
voor bijvoorbeeld analyse. Dit was vooral bedacht om eventuele problemen met de anodevloeistof
makkelijk te kunnen oplossen, bijvoorbeeld door het toevoegen van extra cysteïne als er zuurstof bij
de MFC zou komen.
Ook moesten de zoutbruggen worden gemaakt om de anode en kathode te verbinden. Deze staat
aangegeven in de tekening. Hiervoor werden 12 gelijke glazen U-buizen genomen, die werden
opgehangen zoals in de figuur in bijlage 2 (foto 12). Om deze buizen te vullen werd aan 600 ml
demiwater 18,0 g KCl toegevoegd. Vervolgens werd dit gekookt in een bekerglas. Bij een temperatuur
van ongeveer 70 °C wordt 18 g agar beetje bij beetje al roerend toegevoegd. Toen werd het roerend
verwarmd tot het een tijdje had gekookt, waarna het al roerend werd afgekoeld tot ongeveer 69 °C.
Hierna werd snel (i.v.m. het afkoelen en dus stollen van de oplossing) elke U-buis gevuld tot een
bolletje aan de bovenkant was ontstaan. Doordat de vloeistof nog steeds afkoelde, kromp deze ineen
en werd in elke U-buis na twee minuten nog een beetje oplossing toegevoegd. Dit kon een nacht lang
stollen, waarna het met de open onderkanten in een 3 M (223,65 g/L) KCl oplossing werd gezet in de
koelkast om het langer houdbaar te houden.
Deze zoutbruggen kunnen worden getest door twee oplossingen te maken: een reductor (bijvoorbeeld
oxaalzuur) en een oxidator (aangezuurd kaliumpermanganaat). Deze oplossingen werden in twee
verschillende bekerglazen gedaan. In elk bekerglas werd daarnaast ook een koolstofelektrode
geplaatst. Elke zoutbrug kan dan kort met de ene kant in de reductoroplossing en met de andere kant
in de oxidatoroplossing worden gedaan. Als dan een multimeter of ampèremeter wordt aangesloten
op de elektrodes, kan een stroom worden gemeten. Als deze stroom ongeveer gelijk is, is er ongeveer
een even grote interne weerstand en zijn de zoutbruggen dus goed.
De bekerglazen voor de MFC’s zijn van twee verschillende maten: de anode bestaat uit een bekerglas
van 400 ml en de kathode een bekerglas van 300 ml. 12 bekerglazen van 400 ml (voor de anodes dus)
moeten worden gesteriliseerd in de incubator op 122 °C. Hiervoor moet eerst over de open bovenkant
aluminiumfolie worden gewikkeld, maar dit mag er niet te strak omheen zitten. Als dit er wel te strak
omheen zit, zal de aluminiumfolie knappen door de hogere druk in het bekerglas (omdat de
temperatuur hoger en dus het volume groter wordt), waardoor het geheel niet meer steriel is.
33
MFC’s: batterijen van bacteriën
MFC-elektrolyten voorbereiden
Er moeten twee oplossingen gemaakt worden: de anode-elektrolyt en de kathode-elektrolyt. Eerst was
het de bedoeling dat de kathode-elektrolyt een 0,050 M K3Fe(CN)6-oplossing zou worden (het
voorbeeld van bron (1) volgend). De opgeloste stof werd eerst geel, maar werd na een tijdje langzaam
groen, wat niet klopte volgens de BiNaS, die zei dat het rood hoorde te zijn. Of de BiNaS zat ergens
fout of de stof in het potje was langzaam door de tijd heen vervallen tot een andere stof, waardoor
deze niet meer de juiste kleur kon hebben. Omdat niet precies bekend was welke stof wel in de
oplossing zat, is er op advies van de scheikundesectie voor gekozen om een 0,010 M KMnO4 oplossing
(kaliumpermanganaat) te gebruiken, aangezuurd tot 0,080 M H2SO4 (zwavelzuur). De halfreactie van
deze stof is namelijk het volgende:
MnO4- (aq) + 8 H+ (aq)+ 5 e- → Mn2+ (aq) + 4 H2O (l)
Er was dus naar verwachting vijf keer minder KMnO4 gebruikt dan de hoeveelheid K3Fe(CN)6 die
gebruikt zou worden, omdat bij deze reactie maar één elektron wordt vrijgegeven. Aangezien bij de
halfreactie van sachariden ook protonen ontstaan en de oplossing niet te zuur mocht worden, werd
deze precies genoeg aangezuurd om goed te kunnen reageren. Dit bleek echter niet zo te zijn: er
ontstond heel veel bruinsteen (MnO2), die ontstaat volgens de volgende halfreactie:
MnO4- (aq) + 2 H2O (l) + 2 e- → MnO2 (s) + 4 OHDit betekende dat er te weinig zuur aanwezig was. Aangezien het binnen vier dagen allemaal al had
gereageerd, E werd de kathodeoplossing vervangen: weer een 0,010 M KMnO4-oplossing, maar nu
aangezuurd tot 0,240 M H2SO4 (3 keer zo zuur). Er ontstond nu minder bruinsteen. Omdat dit binnen
vier dagen allemaal was gereageerd, is er toen op advies van onze scheikundedocent voor gekozen om
er een twee keer zo verzadigde oplossing van te maken: een 0,020 M KMnO4-oplossing, aangezuurd
tot 0,480 M H2SO4. Deze bleef langer staan en met deze waardes zijn ook de potentiaalcurves en
vermogenscurves gemaakt (hier later meer over). Het advies is dan ook om deze oplossing meteen te
gebruiken of in ieder geval een oplossing met een grotere concentratie dan volgens de berekening
nodig zou moeten zijn.
Er moest in ieder geval 2,4 L kathode-oplossing gemaakt worden, dus werd voor elke nieuwe vulling 3
L voorraad gemaakt voor het verversen van de kathodeoplossing. Om de laatste oplossing te maken
moet eerst 9,5 gram KMnO4 worden opgelost in ongeveer 2 L demi-water in een 3 L-erlenmeyer.
Vervolgens werd 360 mL 4 M H2SO4 toegevoegd om het aan te zuren. Toen werd het aangevuld tot 3,0
L met demiwater.
Het laatste dat voorbereid moest worden, was de anodevloeistof. Die bestond voor elke MFC uit
hetzelfde vloeibare medium met dezelfde hoeveelheid bacteriën toegevoegd (door het toevoegen van
een beetje van het beginmedium), alleen was in elk medium de soort sacharide anders.
Eerst werden 6 infuusflessen van 1 L (op school waren slechts vier aanwezig, de media zonder
sacharide en zetmeel hebben daarom een ander soort fles van 1 L zonder een infuusdop gekregen)
gesteriliseerd in de incubator, zoals beschreven in Steriliseren. Daarna moest 6,5 L ‘basis-medium’
gemaakt worden, het medium zonder sacharide en cysteïne. Het werd niet in één keer in 6,5 L
opgelost, omdat het aanwezige glaswerk niet groot genoeg was. In een bekerglas van 5,0 L werd
daarom eerst in 4,0 L water opgelost:
 4.81 g KCl;
 3.77 g NaCl;
 4.42 g KH2PO4;
E
Dit is te zien aan de kleur van de oplossing: MnO4--ionen hebben in water opgelost een donkerpaarse kleur,
terwijl de Mn2+-ionen geen kleur hebben. De oplossing werd na enkele dagen doorzichtig (de randen van het
bekerglas werden echter bruin door het ontstane bruinsteen), omdat alle MnO4--ionen waren gereduceerd.
Daarom moest voor een goede elektrodepotentiaal van de kathode deze oplossing om de paar dagen vervangen
worden door een nieuwe oplossing.
34
MFC’s: batterijen van bacteriën
 5.66 g K2HPO4;
 01.82 g NH4Cl;
 0.65 gMgSO4·7H2O;
 0.65 g CaCl2 2H2O;
 0,98 g Marmite (gistextract);
 Paar druppels methyleenblauw tot en met het medium een lichtblauwe kleur had.F
Vervolgens werd dit in het bekerglas aangevuld tot 4,5 L. In een steriele omgeving werd precies 700
ml medium in elke van de zes van te voren gesteriliseerde flessen gedaan met behulp van een
maatcilinder. Vervolgens werd 300 ml demiwater aan dit medium toegevoegd, zodat de concentraties
weer klopten (4,5 : 6,5 ≈ 0,7 L en (6,5-4,5) : 6,5 ≈ 0,3 L).
Vervolgens werden de zes flessen gelabeld aan de hand van welke sacharide ze zouden bevatten. Toen
werd in elke fles 0,1 gram van de juiste sacharide gedaan en daarnaast in elke fles 0,5 g cysteïne-HCl:
1. 0,1 g glucose;
2. 0,1 g fructose;
3. 0,1 g sacharose;
4. 0,1 g lactose;
5. 0,1 g zetmeel;
6. Geen sacharide, alleen cysteïne-HCl (controlemeting).
Dit werd stevig geschud en vervolgens werden de flessen zo steriel mogelijk gemaakt door ze in de
incubator bij 100 °C te zetten, tegen de kook aan. Ondertussen werden de bacteriën in het
basismedium getest onder de microscoop, door een klein beetje medium met een steriele naald en
spuit op te zuigen en dit op een objectglaasje te bekijken. De neergeslagen vlokken bleken bacteriën
te bevatten, daarom is ervoor gekozen om dit te gebruiken als bacteriesuspensie voor in de anode.
Toen de flessen met het medium voldoende waren afgekoeld (rond kamertemperatuur), werd met
een steriele spuit 10 ml van deze vlokken in elke fles gespoten. Dit moet niet te vroeg voor het in elkaar
zetten van de MFC’s worden gedaan, aangezien de bacteriën naar verwachting niet zo makkelijk meer
de verschillende sachariden zonder de elektrodes kunnen omzetten en dus geen (of in ieder geval een
stuk minder) energie meer binnenkrijgen.
In de controlemeting werden geen sachariden gedaan, maar wel bacteriën. Er was namelijk een
mogelijkheid dat de bacteriën bijvoorbeeld invloed hadden op de geleidbaarheid van de oplossing of
dat het basismedium iets bevatte dat goed kon reduceren.
MFC’s in elkaar zetten
Om de MFC’s snel in elkaar te zetten waren alle dingen al voorbereid. Als eerst werd een van de
gesteriliseerde anodebekerglazen (400 ml) gepakt en naar een steriele omgeving gebracht (nog steeds
met het aluminiumfolie eroverheen). Het aquariumbuisje met zwanenhals werd aan beide kanten door
de vlam gehaald om het kort te steriliseren en met behulp van ducttape werd het aan de buitenkant
van dit bekerglas gepakt, met de gebogen zwanenhals geplakt tegen de buitenkant van het bekerglas
in de buurt van het tuitje. In het gat bij het uiteinde van dit buisje bij de zwanenhals (dus het stuk dat
uiteindelijk buiten het bekerglas komt) wordt een steriele spuit gestoken. Vervolgens werd een stuk
parafilm gepakt, een geprepareerde elektrode met ijzerdraad en een zoutbrug. De zoutbrug en de
elektrode worden even met demiwater afgespoeld. Op de buitenkant van het bekerglas werd ook
geschreven welk bekerglas het was (nummer 1 tot 12), of het de normale of duplotest was (resp. A of
B,) en welke sacharide erin zat:
 1-2: glucose (afgekort tot G);
 3-4: fructose (afgekort tot F);
 5-6: Lactose (afgekort tot L);
 7-8: Zetmeel (afgekort tot Z);
F
Hier is methyleenblauw zowel een indicator voor zuurstof als een elektronenmediator, zodat de bacteriën die
zich niet in de buurt van de elektrode bevinden ook hun elektronen kunnen afgeven.
35
MFC’s: batterijen van bacteriën
 9-10: Sacharose (afgekort tot S);
 11-12: Controletest (afgekort tot N).
Daarna werd (nog steeds in de steriele omgeving) snel het aluminiumfolie van het bekerglas gehaald.
De elektrode werd zo precies, maar ook zo snel mogelijk in het midden gehangen (van bovenaf gezien),
rustend op de bodem. Het draadje loopt via het tuitje het bekerglas uit. Ook het andere uiteinde van
het aquariumbuisje wordt in het bekerglas gebogen, ook weer door het tuitje. De zoutbrug werd aan
de andere kant van de bekerglas dan het tuitje opgehangen, over de zijkant heen (met één uiteinde in
het bekerglas en één aan de buitenkant). Dit alles werd zo snel mogelijk gedaan, waarna één laag
parafilm over de bovenkant van het bekerglas wordt gespannen (het paarse in Figuur 18). Daarnaast
werd een extra laag bekerglas rond het tuitje en rond het gebied van de zoutbrug gewikkeld, aangezien
hier vaak nog een kleine opening was. Een bekerglas van 300 ml werd alvast onder de andere kant van
de zoutbrug gedaan, waarin ook een van de andere elektrodes werd geplaatst. Deze werd met
hetzelfde nummer als het bekerglas van de anode gelabeld. Dit moest in totaal twaalf keer gedaan
worden: voor elke van de vijf sachariden twee MFC’s (de meting en de duplometing), en twee MFC’s
voor de controlemeting waarbij geen sachariden waren toegevoegd.
Vervolgens moesten deze lege MFC’s worden gevuld met elektrolyten. Weer in een steriele omgeving
werden eerst een glazen trechter en een metalen spatel gesteriliseerd door ze in de vlam te houden.
Vervolgens, nadat dit voldoende was afgekoeld, werd met de spatel een klein gat midden in het
parafilm gedrukt aan de bovenkant van de anodebekerglas. De onderkant van de trechter werd via dit
gat in het bekerglas gebracht. Na de fles van het specifieke medium goed was geschud, werd via deze
trechter 300 ml medium toegevoegd. Vervolgens werd de fles weer dichtgedraaid, werd de trechter
uit het bekerglas gehaald en werd het gat gedicht door nog twee lagen parafilm over de bovenkant te
spannen.
Toen werd in het andere bekerglas van de kathode 200 ml van de aangezuurde KMnO4-oplossing
gegoten. De elektrode werd geklemd tussen de wand van het bekerglas en de zoutbrug om ongeveer
dezelfde positie aan te houden.
De twee draden van de elektrodes werden nog niet verbonden, aangezien alle MFC’s ongeveer
tegelijkertijd moeten beginnen. Daarom werden eerst alle 12 MFC’s gevuld, 2 per soort medium. Voor
elke nieuwe MFC werd een nieuwe en schone trechter gebruikt.
Aan de stroomdraad van de elektrode (zowel van de kathode als van de anode) werd een extra
stroomdraad bevestigd. Aan elk uiteinde van deze stroomdraden zaten, in tegenstelling tot sommige
uiteindes van de elektrodes, namelijk twee uitgangen: aan één werd een krokodillenklem verbonden
en de andere was vrij om te gebruiken voor de voltmeter. Op ongeveer hetzelfde moment werd tussen
de twee krokodillenklemmen van de anode en kathode een externe weerstand van 825 Ω (± 2,0 Ω)
geschakeld en was de stroomkring verbonden. Vanaf dat punt konden de bacteriën de sacharide uit
het medium omzetten via de elektrodes.
De MFC’s werden op een plaats gezet waar niet al te fel zonlicht aanwezig was en de temperatuur was
rond kamertemperatuur (20 °C en dus 293 K). Dit stond zo 13 dagen lang; ondertussen zijn
verschillende tests uitgevoerd.
Testen
Er zijn twee verschillende testen gedaan: de spanning over de weerstand (en daarmee ook het
vermogen op dat moment) en een potentiaal- en vermogenscurve. De spanning over de weerstand
werd vanaf dag 4 (een maandag) elke doordeweekse dag gemeten door een multimeter aan te sluiten
over de weerstand heen en hiermee de spanning te meten. De multimeters die zijn gebruikt in dit
onderzoek, hadden een aantal opties om de spanning te meten. Zo was er de mogelijkheid om tot 0,2
V te meten, de eerstvolgende mogelijkheid was tot 2 V. Hogere spanningen produceerden de MFC’s
niet. Bij 0,2 V mat de multimeter tot vier cijfers achter de komma, dus tot bijvoorbeeld 0,0001. In dit
geval wilde het nog weleens voorkomen dat dit laatste cijfer sterk fluctueerde, in zo’n geval is naar het
laagste cijfer gekeken. Bij 2 V mat de meter tot drie cijfers achter de komma, dus bijvoorbeeld tot
36
MFC’s: batterijen van bacteriën
0,001. Het bleek, zoals eerder gezegd, dat de kathodeoplossing zeer snel op was; deze werd dan ook
af en toe vervangen. Daarvoor werden 12 andere bekerglazen gevuld en werden de zoutbrug en
elektrode van de kathode snel naar het nieuwe bekerglas overgezet. Om dit goed te kunnen bijhouden,
werd zowel daarvoor als daarna een meting gedaan. Dit werd in Excel gezet en hiermee werd het
vermogen berekend met formule (3). Dit werd in een grafiek gezet voor elke waarde en hiermee kan
de groei van het vermogen berekend worden.
Na 13 dagen werden de metingen voor een potentiaal- en vermogenscurve gedaan. Daarvoor werd de
externe weerstand gevarieerd in 14 stappen en werd na precies een kwartier de spanning over deze
weerstand gemeten. Hiervoor werd na een kwartier eerst met een multimeter de spanning gemeten.
Dit moet elke keer ongeveer een kwartier zijn, omdat bleek dat dan ongeveer de pseudo-steady state
is bereikt. Als namelijk te lang wordt gewacht, zal het vermogen langzaam afnemen door de
concentratieverliezen. Eigenlijk is het de bedoeling om de weerstanden eerst van een laag naar een
hoog aantal Ohm te meten, en vervolgens van een hoog naar een laag aantal Ohm. Er waren helaas op
school niet genoeg weerstanden van dezelfde soort aanwezig om precies dezelfde volgorde van
weerstanden voor elke MFC aan te houden, wat misschien effect heeft gehad op de resultaten (zie 8.
Discussie en vervolgonderzoek). Zo had Glucose-A bijvoorbeeld de volgorde van de weerstanden 1 –
13 – 11 – 9 – 7 – 5 – 3 – 2 – 14 – 12 – 10 – 8 – 6 – 4, terwijl Glucose-B als volgorde had: 2 – 14 – 12 –
10 – 8 – 6 – 4 – 3 – 1 – 13 – 11 – 9 – 7 – 5. Fructose-A (het derde bekerglas) begon 2,5 minuut later met
weerstand 3, waarna ook weer in stapjes van twee omlaag werd gewerkt (behalve bij de overstap van
oneven naar even weerstanden, waar maar één stap omlaag werd gewerkt), Fructose-B (het vierde
bekerglas) met weerstand 4, enzovoort. Voor de lijst met de nummers van de bekerglazen wordt
verwezen naar het kopje MFC’s in elkaar zetten.
Vervolgens werd met behulp van twee elektriciteitsdraden en krokodillenklemmen de weerstand
vervangen, zonder de stroomkring te verbreken. Deze draden werden met de krokodillenklemmen
namelijk parallel geplaatst over de krokodillenklem waarmee de eerste weerstand werd
vastgehouden. De originele krokodillenklemmen konden worden losgehaald van deze originele
weerstand. Tussen deze nu vrije klemmen werd de volgende weerstand geklemd, waarna snel de
stroomkring door de andere weerstand werd verbroken (door de tweede set krokodillenklemmen los
te koppelen uit de schakeling). Door met zijn tweeën te werken konden elke 15 minuten 12 waardes
worden bepaald (één meting per MFC; 2,5 minuten tussen elk MFC-koppel).
De verschillende weerstanden waren:
1. 12,4 Ω;
2. 22,5 Ω;
3. 68,3 Ω;
4. 148,8 Ω;
5. 221 Ω;
6. 561 Ω;
7. 826 Ω;
8. 1.005 Ω;
9. 1.201 Ω;
10. 1.798 Ω;
11. 6.810 Ω;
12. 22.000 Ω;
13. 270.000 Ω;
14. 1.007.000 Ω.
Met de spanning en de specifieke weerstand kan door formule (1) en (3) respectievelijk de stroom en
het vermogen worden berekend. Dit werd in een aparte grafiek gezet voor elke soort sacharide. De
potentiaalcurve zou een lineair verband moeten zijn en de helling van de trendlijn is dan ook de interne
weerstand van de MFC, volgens formule 2. Dit werd vooral gebruikt om te kijken of dit het verschil in
vermogen kan verklaren. De interne weerstand zou namelijk bij elke MFC ongeveer gelijk moeten zijn:
de sachariden zijn niet geladen en beïnvloeden daarom niet de geleidbaarheid, wat betekent dat ze
ook de interne weerstand niet zullen beïnvloeden.
37
MFC’s: batterijen van bacteriën
De vermogenscurve zou een parabool moeten zijn door de waarschijnlijk grote interne weerstand van
de MFC. Uit de vermogenscurve kan het maximale vermogen worden bepaald, wat ook een belangrijke
waarde is, door het maximum in deze parabolische trendlijn te bepalen. In theorie zou de formule van
de trendlijn van de vermogenscurve gelijk moeten zijn aan de vermenigvuldiging van de formule van
de trendlijn van de potentiaalcurve (de spanning) en x (de stroomsterkte in de potentiaal- en
vermogenscurve).
Van alle verschillende sachariden werden de twee sets meetresultaten dus in twee soorten grafieken
gezet: een potentiaalcurve en een vermogenscurve. Punten die heel ver afweken, werden niet
meegenomen in de trendlijn die door deze punten werd getrokken. Wel werd van de twee gemeten
spanningen per soort sacharide per weerstand een gemiddelde genomen, waarmee ook een
potentiaal- en een vermogenscurve werd gemaakt, die in dezelfde grafiek werd weergegeven.
Om het hoogste maximale vermogen te kunnen bepalen werd een grafiek van de functie van de
trendlijn geplot in de grafische rekenmachine. Vervolgens werd het maximum berekend; de hieruit
naar voren komende waardes waren de stroomsterkte (X-coördinaat) en het vermogen (Y-coördinaat).
Met deze waardes kon de externe weerstand worden berekend, waarmee het hoogste maximale
vermogen gemeten kon worden. Dit werd gedaan met de formule = .
38
Grafiek 1: P,t diagram
In deze grafiek zijn de vermogens afgezet tegen de tijd. De MFC’s zijn elke schooldag gemeten en zo zijn de bovenstaande
waardes tot stand gekomen. De waardes waren af en toe behoorlijk willekeurig, maar er is goed te zien dat de waardes af en
toe omhoog schieten, dit was het geval als de oxidator werd ververst. De waardes beginnen niet op t=0, omdat er op het
moment van aansluiten nog geen meting gedaan was en het daarna weekend was. Het valt op dat het vermogens waarop de
MFC’s na een tijdje tot ‘rust’ komen na de tweede verversing hoger ligt dan na de eerste verversing.
MFC’s: batterijen van bacteriën
6. Resultaten
In dit stuk van het verslag zullen de resultaten worden getoond in de vorm van grafieken. De
onbewerkte data zijn te vinden in Bijlage 3.
6.1 P,t-diagram
De grafiek hieronder toont de resultaten die verkregen zijn door de spanning over een externe
weerstand door de tijd te meten. In deze grafiek is namelijk het vermogen van de MFC’s, dat is
berekend uit de spanning en de weerstand met formule (3), uitgezet tegen de tijd.
39
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2 Potentiaal- en vermogenscurves
Over de resultaten bij de meting van de potentiaal- en vermogenscurves moet een aantal dingen
gezegd worden, en in de resultaten komt een aantal belangrijke dingen terug. Hierbij een korte
behandeling van de benodigde informatie:
 In de potentiaalcurves wordt de spanning tegen de stroomsterkte afgezet (U(V) tegen I(A)) en
is als trendlijn een lineaire lijn genomen.
 In de vermogenscurves wordt het vermogen tegen de stroomsterkte afgezet (P(W) tegen I(A))
en wordt gebruikgemaakt van een polynoom als trendlijn.
 Informatie over de manier van meten en de manier van verwerken van de resultaten is te
vinden in het hoofdstuk Theorie onder het kopje Analyse van de MFC.
 Rechts boven in de losse potentiaal- en vermogenscurves is de vergelijking van de grafiek en
hierin de helling van de trendlijn te zien. Van de trendlijn in de potentiaalcurves is een functie
gemaakt, de waarde die voor de x in deze functie staat, is de innerlijke weerstand (Rintern).
 De R2, de regressiecoëfficiënt, geeft het verschil tussen de punten in de grafiek en de trendlijn
aan. Als de punten ver van de trendlijn afliggen, is de trendlijn minder betrouwbaar: het geeft
dan minder goed het verband aan tussen deze punten. Als alle punten precies op de trendlijn
liggen, geldt R2=1, maar hoe meer punten ervan afliggen en hoe verder deze ervan afliggen,
hoe lager deze waarde wordt. Het is dus zo dat hoe dichter de waarde van R2 bij 1 ligt, hoe
kloppender de trendlijn is, en hoe beter de trendlijn het verband weergeeft tussen de twee
grootheden. In dit onderzoek zullen trendlijnen met een R2 groter dan 0,9 worden
geaccepteerd, maar van de trendlijnen met een lagere R2 kan niet met zekerheid worden
gezegd dat de trendlijn het verband goed weergeeft.
 Eerst worden per sacharide de gemiddelde waardes getoond om een goed beeld te schetsen
van de tegen elkaar afgezette waardes. Hierna worden de waardes van de test en de duplotest
apart nog een keer getoond en besproken; pas hierbij zullen de trendlijn functies en de R2
getoond worden.
 De schaalverdelingen in zowel de X- en de Y-as zijn niet in alle grafieken gelijk. Dit is belangrijk
om verwarring te voorkomen. Dit is het geval omdat bij sommige opstellingen de waardes lager
waren dan bij andere. Hierdoor was het noodzakelijk om, omwille van de precisie, de
schaalverdeling soms te veranderen.
 De resultaten zullen hier bewerkt worden gegeven. Bij een aantal grafiek zijn punten
weggelaten om de trendlijn zo goed mogelijk te laten kloppen. Deze punten lagen dusdanig ver
van de verwachting en van de rest van de punten dat deze zijn toegewezen aan meetfouten.
De onbewerkte tabellen en grafieken zullen worden bijgeleverd in Bijlage 3.
40
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.1 Glucose
Potentiaalcurve Glucose
1,2
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Glucose-A
Glucose-B
Glucose gemiddeld
Grafiek 2: Gemiddelde potentiaalcurve glucose
Hier zijn de gemeten waardes van de opstellingen van glucose-A en glucose-B te zien, en het
gemiddelde van deze twee. Zoals te zien is, liggen de waardes relatief dicht bij elkaar. Glucose-A
had net iets hogere waardes dan glucose-B, wat ook goed af te lezen valt uit de trendlijnen. Ook de
hellingen en zo de interne weerstand van de MFC’s lijken redelijk gelijk.
Vermogenscurve Glucose
0,00045
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Glucose-A
Glucose-B
Grafiek 3: Gemiddelde vermogenscurve glucose
Glucose gemiddeld
Hier zijn het berekende vermogen en de stroomsterkte van de opstellingen van gluscose-A en
glucose-B te zien. Zoals te verwachten uit de potentiaalcurve liggen ook deze waardes relatief
dicht bij elkaar. Het vermogen van glucose-A is iets hoger dan die van glucose-B, en er is goed te
zien dat de pieken van deze twee opstellingen ter hoogte van dezelfde stroomsterkte liggen.
41
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Glucose-A
1,2
y = -819,16x + 1,0375
R² = 0,9602
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Grafiek 2: Potentiaalcurve glucose-A
De R2 ligt relatief dicht bij 1; de waardes en de trendlijn zijn dus acceptabel. Dit is goed te zien aan
de trendlijn in de grafiek, die redelijk dicht bij de punten ligt. De helling van de grafiek is -819,16,
wat dus ook de waarde voor de interne weerstand van deze MFC is. De OCV is 1,0375 V. De eerste
vier punten vallen op doordat ze lager liggen dan de lijn door de andere punten, waar ook de
trendlijn misschien doorheen loopt. Dit viel ook op in de andere grafieken.
Vermogenscurve Glucose-A
0,00045
y = -1048,3x2 + 1,2454x
R² = 0,987
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Grafiek 3: Vermogenscurve glucose-A
De R2 van deze grafiek ligt ook redelijk dicht bij 1 en deze trendlijn is dus acceptabel. Het maximum
van de trendlijn in deze grafiek heeft een lagere waarde dan de waarde van het maximale punt dat
gemeten is. Het maximum van de trendlijn ligt op (0,000593 ; 0,000370): het maximale vermogen is
dus 3,70* 10-4 W; dit is te meten met een weerstand van 1055 Ω.
42
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Glucose-B
1,2
y = -885,85x + 0,9603
R² = 0,9615
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
I (A)
Grafiek 6: Potentiaalcurve glucose-B
De R2 ligt dicht genoeg bij 1 om de trendlijn als acceptabel te beschouwen. De interne weerstand
van deze MFC is 885,85 Ω. De OCV is 0,9603 V.
Vermogenscurve Glucose-B
0,00035
y = -1173,7x2 + 1,1909x
R² = 0,9848
0,0003
P (W)
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
I (A)
Grafiek 7: Vermogenscurve glucose-B
De R2 van deze grafiek ligt dicht genoeg bij 1 om de trendlijn te accepteren. Ook hier ligt de waarde
van het maximum van de trendlijn wel weer onder de waarde van het hoogste gemeten punt. Het
maximum van deze trendlijn ligt op (0,000508 ; 0,000302): het maximale vermogen is 3,02 * 10-4
W, dit is te meten met een weerstand 1170 Ω.
43
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.2 Fructose
Potentiaalcurve Fructose
1
0,9
0,8
0,7
U (V)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Fructose-A
Fructose-B
Fructose gemiddeld
Grafiek 8: Gemiddelde potentiaalcurve fructose
Wat opvalt aan deze grafiek is dat de lijnen ongever op hetzelfde punt op de y-as beginnen: de
MFC’s hadden dus gelijke OCV-waardes. Daarna gaan ze met verschillende richtingscoëfficiënten
verder, wat betekent dat de twee MFC’s verschillende interne weerstanden hadden.
Vermogenscurve Fructose
0,0004
0,00035
0,0003
P (W)
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Fructose-A
Fructose-B
Grafiek 9: Gemiddelde vermogenscurve fructose
Fructose gemiddeld
In deze grafiek valt op dat de grafieken in het begin redelijk gelijk beginnen, maar dat Fructose-A
op den duur afbuigt en veel eerder zijn maximum bereikt, dat wel lager is dan dat van Fructose-B.
Dit heeft te maken met het feit dat Fructose-A een hogere interne weerstand heeft, waardoor de
grafiek sneller tot zijn maximum moet komen, dat daardoor lager ligt.
44
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Fructose-A
1
y = -828,16x + 0,9218
R² = 0,9618
0,9
0,8
0,7
U (V)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
I (A)
Grafiek 10: Potentiaalcurve Fructose-A
De R2 ligt dicht genoeg bij 1 om deze trendlijn te accepteren. De interne weerstand van deze MFC is
828,16 Ω en de OCV is 0,9218 V.
Vermogenscurve Fructose-A
0,00035
y = -1087,3x2 + 1,1452x
R² = 0,9838
0,0003
P (W)
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
I (A)
Grafiek 11: Vermogenscurve Fructose-A
Ook deze R2 van deze trendlijn ligt dicht genoeg bij 1 om deze trendlijn te accepteren. De punten
bij de top van de grafiek lijken aardig de trendlijn te volgen. Het maximum ligt bij (0,000528 ;
0,000302), wat betekent dat het maximale vermogen 3,02 * 10-4 W is. Dit is te bereiken met een
weerstand van 1083 Ω.
45
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Fructose-B
1
y = -640,48x + 0,9289
R² = 0,9586
0,9
0,8
0,7
U (V)
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 12: Potentiaalcurve fructose-B
De R2 van deze trendlijn ligt ook dicht genoeg bij 1 om de trendlijn te accepteren. De interne
weerstand van deze MFC is 640,48 Ω en de OCV is 0,9289 V. De interne weerstand is redelijk laag in
vergelijking met de andere MFC’s.
Vermogenscurve Fructose-B
0,0004
0,00035
y = -757,05x2 + 1,0452x
R² = 0,9392
0,0003
P (W)
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 13: Vermogenscurve fructose-B
De R2 van deze trendlijn ligt dicht genoeg bij 1 om te zeggen dat de trendlijn acceptabel is. Wel ligt
de waarde van het maximum van de grafiek weer onder de maximale waarde die gemeten is. De
top van de trendlijn ligt op (0,000690 ; 0,000361): het maximale vermogen is dus 3,61 * 10-4 W, wat
gemeten kan worden met een externe weerstand van 758 Ω.
46
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.3 Lactose
Potentiaalcurve Lactose
0,7
0,6
U (V)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
I (A)
Lactose-A
Lactose-B
Lactose gemmideld
Grafiek 14: Gemiddelde potentiaalcurve lactose
Zoals te zien zijn de resultaten van lactose zeer willekeurig. De punten liggen niet dicht op een lijn,
of op welke andere manier dan ook op een logische volgorde. Dit is ook de reden waarom ervoor
gekozen is geen trendlijn te tekenen in deze grafieken. Er is ook niet heel duidelijk een verschil te
zien tussen de test en de duplotest, en tussen de gemiddeldes van deze waardes is ook geen
duidelijk verband te vinden.
Vermogenscurve Lactose
0,00025
P (W)
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
I (A)
Lactose-A
Grafiek 15: Gemiddelde vermogenscurve lactose
Lactose-B
Lactose gemiddeld
Ook hier zijn geen duidelijke verbanden te vinden en te maken. Er is hier geprobeerd een
polynoom te tekenen als trendlijn, maar dit zou geen goede weergave zijn van de werkelijke
punten. Er is wel één duidelijk punt te zien, op (0,00034;0,00021), dat buiten alle andere punten
schiet. Er is wederom geen duidelijk verband te vinden in de waardes.
47
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Lactose-A
0,7
0,6
U (V)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
0,0004
I (A)
Grafiek 16: Potentiaalcurve lactose-A
Wederom is er geen trendlijn in de grafiek getekend, dit is ook de reden dat er geen duidelijkheid
is over de interne weerstand. Bij het proberen een trendlijn door deze punten te trekken is niet
duidelijk hoe deze zou moeten lopen: hij zou zowel lineair naar beneden kunnen lopen als als een
dalparabool met een piek bij de grote verzameling van punten.
Vermogenscurve Lactose-A
0,00025
0,0002
P (W)
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
0,0004
I (A)
Grafiek 17: Vermogenscurve lactose-A
Zoals bij de potentiaalcurve zijn de punten ook hier zo dat het niet mogelijk is om een correcte
polynoom door de punten te trekken. Hij zou dan op een heel rare manier lopen, die op geen
enkele manier zou kunnen kloppen. Het is mogelijk om in deze punten een lineair verband te zien,
maar dit zou in zijn geheel niet mogelijk zijn.
48
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Lactose-B
0,7
0,6
U (V)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
I (A)
Grafiek 18: Potentiaalcurve lactose-B
De punten hier zijn al minder willekeurig dan bij lactose-A, maar het is nog steeds niet mogelijk om
hier een trendlijn doorheen te trekken. In dit geval zou de R2 te klein worden. Dit wijst erop dat het
niet mogelijk is om er relevante trendlijn doorheen te trekken. In dit geval is wel opvallend dat er
een soort gat is gevallen in de stroomsterkte: de punten liggen erg ver uit elkaar.
Vermogenscurve Lactose-B
0,00012
0,0001
P (W)
0,00008
0,00006
0,00004
0,00002
0
0
0,0001
0,0002
0,0003
0,0004
0,0005
0,0006
I (A)
Grafiek 19: Vermogenscurve lactose-B
Door het gat dat gevallen is in de stroomsterkte, zit ook in deze grafiek een heel groot gat.
Hierdoor is het niet mogelijk om duidelijk een goede trendlijn te trekken. De piek in dit geval zal
zich dan veel te ver naar rechts bevinden, door de twee losse punten daar, terwijl dit in zijn geheel
niet betrouwbaar zou zijn.
49
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.4 Zetmeel
Potentiaalcurve Zetmeel
1,2
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Zetmeel-A
Zetmeel-B
Zetmeel gemiddeld
Grafiek 20: Gemiddelde potentiaalcurve zetmeel
In deze grafiek valt te zien dat zetmeel zeer verschillende waardes heeft, ook al lijkt dit niet zo erg
te zijn in de losse grafieken. Ze snijden de y-as op verschillende plekken, dus is de OCV ook
verschillend. Ook zijn de hellingen (en dus de interne weerstand) heel verschillend.
Vermogenscurve Zetmeel
0,0007
0,0006
P (W)
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Zetmeel-A
Zetmeel-B
Grafiek 21: Gemiddelde vermogenscurve zetmeel
Zetmeel gemiddeld
Uit de vorige grafiek was al op te maken dat de resultaten heel verschillend waren, maar bij deze is
dit nog duidelijker te zien: Zetmeel-B heeft duidelijk een veel hoger maximaal vermogen, dat ook
pas bij een hogere stroom tot stand komt.
50
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Zetmeel-A
0,7
y = -1373,9x + 0,5762
R² = 0,8347
0,6
U (V)
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
0,0004
0,00045
0,0005
I (A)
Grafiek 22: Potentiaalcurve zetmeel-A
De R2 van deze grafiek is lager dan 0,9; het is dus niet met zekerheid te zeggen wat het verband is
tussen de grootheden in deze grafiek. Er zijn twee groepen met punten te zien (aangegeven met
een ovaal rond deze punten), waartussen verschillende lijnen kunnen worden getekend. Daardoor
is de trendlijn ook niet zo goed, aangezien deze tussen de twee groepen inzit.
Vermogenscurve Zetmeel-A
0,0001
y = -1146,7x2 + 0,4999x
R² = 0,4756
0,00009
0,00008
0,00007
P (W)
0,00006
0,00005
0,00004
0,00003
0,00002
0,00001
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
0,0004
0,00045 0,0005
I (A)
Grafiek 23: Vermogenscurve zetmeel-A
Ook deze R2 is niet hoog genoeg om iets over deze grafiek te zeggen. Wel valt op dat ook hier weer
twee groepen te zien zijn, waar de trendlijn tussendoor moet. Als de waardes van de trendlijn
worden genomen, zou de top bij (0,000219 ; 0,0000545) liggen: het maximale vermogen is 5,45 *
10-5 W, wat bereikt kan worden met een externe weerstand van 1136 Ω.
51
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Zetmeel-B
1,2
y = -617,53x + 1,0278
R² = 0,917
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 24: Potentiaalcurve zetmeel-B
Deze R2 is gelukkig wel hoog genoeg om iets over deze grafiek te zeggen, ook al is hij nog maar net
hoog genoeg. De interne weerstand zou volgens deze trendlijn 617,53 Ω zijn, met een redelijk hoge
OCV van 1,0278 V.
Vermogenscurve Zetmeel-B
0,0007
y = -830,99x2 + 1,2775x
R² = 0,8622
0,0006
P (W)
0,0005
0,0004
0,0003
0,0002
0,0001
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 25: Vermogenscurve van zetmeel-B
Deze R2 is ook niet hoog genoeg om te zeggen dat de trendlijn het goede verband weergeeft. In
deze grafiek zijn ook weer twee groepen te zien, net als bij zetmeel-A. Er zouden twee trendlijnen
getekend kunnen worden: door de punten onder de huidige trendlijn en door de punten boven de
huidige trendlijn. Daarom geeft de huidige trendlijn geen goed beeld. Als de huidige trendlijn
gebruikt zou worden, zou de top liggen bij (0,000769 ; 0,000491), wat betekent dat het maximale
vermogen 4,91 * 10-4 is. Dit kan gemeten worden bij een externe weerstand van 830 Ω
52
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.5 Sacharose
Potentiaalcurve Sacharose
1,2
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Sacharose-A
Sacharose-B
Sacharose gemiddeld
Grafiek 26: Gemiddelde potentiaalcurve sacharose
in deze grafiek zijn drie duidelijk afzonderlijke lijnen te zien. De lijnen van sacharose-A en
sacharose-B hebben duidelijk heel verschillende waardes en een heel verschillende helling. De
interne weerstanden zijn dan ook heel verschillend. De OCV zijn ook zeer verschillend: beide lijnen
snijden de Y-as op een heel verschillende plek.
Vermogenscurve Sacharose
0,00045
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Sacharose-A
Sacharose-B
Grafiek 27: Gemiddelde vermogenscurve sacharose
Sacharose gemiddeld
Uit de vorige grafiek volgt dat sacharose-A een heel hoge piek heeft in vergelijking met sacharoseB. Hier wordt nogmaals duidelijk hoe groot het verschil tussen de twee sacharoseopstellingen is.
Door het grote verschil in vermogens valt het gemiddelde een beetje in het midden uit.
53
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Sacharose-A
1,2
y = -721,02x + 1,0788
R² = 0,9829
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 28: Potentiaalcurve sacharose-A
De R2 van deze trendlijn is 0,9829 en dus behoorlijk dicht tegen 1 aan; de trendlijn is betrouwbaar
getrokken. De interne weerstand van de MFC is 721,02 Ohm en de OCV is 1,0788 V.
Vermogenscurve Sacharose-A
0,00045
y = -798,45x2 + 1,1643x
R² = 0,9478
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
0,0016
I (A)
Grafiek 29: Vermogenscurve sacharose-A
De R2 in deze grafiek ligt weer dicht bij de 1, en dus is de getekende trendlijn betrouwbaar, er zijn
geen grote bijzonderheden te zien. De top van de trendlijn en dus de grafiek ligt op (0,000729 ;
0,000425); zo zou het maximale vermogen op 4,25*104 W liggen. Dit is te bereiken met een externe
weerstand van 800 Ohm.
54
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve Sacharose-B
0,6
y = -1512,8x + 0,5234
R² = 0,975
0,5
U (V)
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
I (A)
Grafiek 30: Potentiaalcurve sacharose-B
De R2 in deze grafiek is 0,975, en ligt dus heel dicht bij 1. Hiermee is de betrouwbaarheid van deze trendlijn
heel hoog. De interne weerstand is behoorlijk hoog, namelijk 1512,8 Ohm, en de OCV is 0,5234 V. Aan de
rechterkant van de grafiek is een drietal punten te zien die dicht bij elkaar liggen. Dat deze waardes zo dicht
op elkaar geclusterd zijn, is een beetje apart, maar ze liggen wel mooi op de lijn der verwachting.
Vermogenscurve Sacharose-B
0,00006
y = -1939,6x2 + 0,6403x
R² = 0,9583
0,00005
P (W)
0,00004
0,00003
0,00002
0,00001
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
0,0003
0,00035
I (A)
Grafiek 31: Vermogenscurve sacharose-B
Ook bij deze grafiek ligt de R2 dicht tegen de 1 aan, waardoor de trendlijn behoorlijk te vertrouwen is. Wel is
te zien dat de piek van de grafiek misschien anders zou kunnen liggen dan de plek waar hij nu ligt: er liggen
drie punten redelijk dicht op elkaar. Eventueel zou nog een andere curve getekend kunnen worden, door het
middelste punt weg te denken. Als de top dan nog iets hoger zou liggen, loopt de lijn precies goed over die
drie geclusterde punten. De top van de trendlijn en dus het maximale vermogen zou liggen op (0,000164 ;
0,0000528), wat betekent dat het maximale vermogen 5,28*105 W is. Het is te meten bij een externe
weerstand van 1963 Ohm.
55
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.6 Controletest
Potentiaalcurve controletest
1,2
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Controletest-A
Controletest-B
Controletest gemiddeld
Grafiek 32: Gemiddelde potentiaalcurve controletest
In deze grafiek valt te zien dat deze waardes ook weer zeer verschillend zijn: verschillende waardes
bij de twee MFC’s voor de OCV, en ook verschillende interne weerstanden.
Vermogenscurve controletest
0,0005
0,00045
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Controletest-A
Controletest-B
Grafiek 33: Gemiddelde vermogenscurve controletest
Controletest gemiddeld
Net zoals in de vorige grafiek valt op dat de waardes heel verschillend zijn. Controletest-A is een
enorm grote waarde, een van de hogere waardes die gemeten zijn, terwijl controletest-B heel laag
is. Het is dus lastig te zeggen welke genomen moet worden.
56
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve controletest-A
1,2
y = -924,02x + 1,1103
R² = 0,9048
1
U (V)
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Grafiek 34: Potentiaalcurve controletest-A
De R2 van deze grafiek is nog net binnen de grens om de trendlijn te accepteren. In deze grafiek
vallen twee groepen van punten te zien: onder de huidige trendlijn en daarboven. Volgens de
huidige trendlijn is de interne weerstand 924,02 Ω en is de OCV 1,1103 V.
Vermogenscurve controletest-A
0,0005
y = -1252,9x2 + 1,3973x
R² = 0,831
0,00045
0,0004
0,00035
P (W)
0,0003
0,00025
0,0002
0,00015
0,0001
0,00005
0
0
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,001
0,0012
0,0014
I (A)
Grafiek 35: Vermogenscurve controletest-A
De R2 van deze trendlijn is niet hoog genoeg om de trendlijn te accepteren. Hier vallen in nog
hogere mate twee groepen te zien: een boven de huidige trendlijn en een eronder. Hierdoor valt
ook een goede grafiek te tekenen, maar de huidige trendlijn moet tussen deze trendlijnen in
vallen. Als met deze trendlijn gewerkt wordt, zal de top liggen bij (0,000557 ; 0,000390): het
maximale vermogen is dus 3,90 * 10-4 W, wat te meten is bij een externe weerstand van 1257 Ω.
57
MFC’s: batterijen van bacteriën
Potentiaalcurve controletest-B
0,4
y = -1637,5x + 0,3644
R² = 0,957
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
Grafiek 36: Potentiaalcurve controletest-B
De R2 van deze grafiek is hoog genoeg om de trendlijn te accepteren, al vallen zelfs in deze grafiek
twee groepen te onderscheiden. De interne weerstand van deze MFC is vrij hoog, namelijk 1637,5
Ω. De OCV is daarnaast ook nog heel laag, namelijk slechts 0,3644 V.
Vermogenscurve controletest-B
0,000025
y = -1394,5x2 + 0,3257x
R² = 0,7416
0,00002
P (W)
0,000015
0,00001
0,000005
0
0
0,00005
0,0001
0,00015
0,0002
0,00025
I (A)
Grafiek 37: Vermogenscurve controletest-B
De R2 van deze grafiek is lager dan 0,9 en dus niet hoog genoeg om te zeggen dat de trendlijn het
verband goed aangeeft. In het figuur valt ook niet duidelijk te zien welke trendlijn goed is: er zijn
drie punten onder de huidige trendlijn die een goede grafiek zouden kunnen vormen, en de punten
boven de trendlijn zouden (eventueel met het punt dat aan het eind van de trendlijn zit) ook een
goede grafiek kunnen vormen. De top van de huidige trendlijn ligt op (0,000116 ; 0,0000190): een
maximaal vermogen van 1,90 * 10-5 W, te meten bij een externe weerstand van 1412 Ω.
58
Grafiek 38: Potentiaalcurve alle sachariden; Hierboven staan de potentiaalcurves weergeven van alle gedane metingen. Diegene waar geen trendlijn door getekend kon worden in
het document (lactose-A en –B) hebben ook hier geen trendlijn. Te zien is dat er heel veel verschillende interne weerstanden en OCV-waardes zijn , waardoor het ook weldegelijk
andere grafieken worden.
MFC’s: batterijen van bacteriën
6.2.7 Alle sachariden
59
Grafiek 39: Hier zijn de vermogenscurves van alle MFC’s uitgezet. Ook hier ontbreken de trendlijnen voor Lactose-A en -B. Er is duidelijk een verschil tussen de verschillende sachariden,
maar bij sommigen ook een duidelijk verschil tussen de normale en duplo-test. Zetmeel-B is in deze grafiek het beste, maar zetmeel-A is één van de slechtere grafieken. Ook is de
controletest-A opvallend hoog, terwijl controletest-B juist erg laag zit. De twee grafieken van glucose en fructose liggen erg dicht bij elkaar in de buurt.
MFC’s: batterijen van bacteriën
60
MFC’s: batterijen van bacteriën
7. Conclusie
De onderzoeksvraag was:
Wat is de beste sacharide (van de volgende: glucose, fructose, lactose, sacharose en zetmeel) voor het
beste vermogen uit een MFC die werkt op synthetisch afvalwater en die gekatalyseerd wordt door
een combinatie van bacteriën uit wadmodder (van Schiermonnikoog), tuinmodder (uit Niekerk,
gemeente Grootegast) en grachtwater (uit de binnengracht van Groningen)?
De hierbij gevormde hypothese was dat de sacharide fructose het hoogste vermogen zou opleveren.
Uit het onderzoek is een aantal interessante uitkomsten naar voren gekomen, maar echt antwoord op
de onderzoeksvraag en een bevestiging van de hypothese zijn niet gevonden.
Uit de P,t-grafiek (vermogen afgezet tegen de tijd) kan worden opgemaakt dat het verversen van de
oxidatoren aan de kathode heel belangrijk is. Zodra de kathode werd bijgevuld, werd een grote stijging
waargenomen in het vermogen. Daarnaast is te zien dat de MFC’s met hogere vermogens bij de
potentiaal- en vermogenscurves ook heel goed scoorden tijdens de laatste meting van deze P,t-grafiek,
terwijl de slechtere MFC’s (zoals Sacharose-B) ook in deze laatste meting niet goed scoorden.
Geconcludeerd kan worden dat het verschil maakt hoelang een MFC al heeft gedraaid wanneer de
potentiaal- en vermogenscurve worden gemaakt.
Het is heel moeilijk een antwoord te geven op de onderzoeksvraag op basis van de potentiaal- en
vermogenscurves, respectievelijk het voltage afgezet tegen de stroomsterkte en het vermogen afgezet
tegen de stroomsterkte. Uit de potentiaalcurve zijn de interne weerstand en ook de opencircuitvoltage
af te lezen, en uit de vermogenscurve is het hoogste maximale vermogen af te lezen. Bij de duplotest
en de gewone test kwamen de drie sachariden, lactose, sacharose en zetmeel niet overeen. Bij de
resultaten van lactose was het zelfs onmogelijk om een goede trendlijn te tekenen die de resultaten
omschreef. Hierdoor kan niet met zekerheid een conclusie worden getrokken over lactose: eventueel
zou gezegd kunnen worden dat lactose niet goed werkt, maar voor deze conclusie is niet genoeg bewijs
geleverd in dit onderzoek. Er zijn maar twee metingen gedaan. Nu hebben deze metingen wel allebei
zeer slechte resultaten opgeleverd, maar om hier echt gegrond iets over te kunnen zeggen zouden
meer metingen gedaan moeten worden.
Daarnaast is een conclusie trekken door de controletest lastig. De verwachting was dat er een redelijk
lage waarde uit zou komen, die gebruikt zou kunnen worden om te kijken welk deel van het vermogen
kwam door ingrediënten uit het medium en niet door de sachariden. De controletest heeft twee
opvallende resultaten: ten eerste komen de gewone en de duplotest niet overeen, en ten tweede
leverde de MFC voor controletest-A een van de hogere waardes van het onderzoek op, hoger dan de
meeste andere MFC’s. Hierdoor valt niet te concluderen welk deel van het verkregen vermogen niet
veroorzaakt wordt door de geteste sachariden.
Als wordt gekeken naar het totaalplaatje van de vermogenscurves is te zien dat het hoogste maximale
vermogen wordt gegenereerd bij de MFC zetmeel-B. Zetmeel-A levert een veel lager maximaal
vermogen op. Dat de duplo- en de gewone test niet overeenkomen, geldt ook voor Sacharose, waar
versie A een redelijk hoge waarde geeft, maar versie B een extreem lage. Lactose kon helemaal niet
worden geanalyseerd. Hieruit valt dus niet te concluderen welke de betere poly- of disacharide is.
Daarnaast valt ook niet goed te concluderen of poly-, di- of monosachariden het best zijn, omdat geen
goede waardes voor de eerste twee gegeven kunnen worden.
Glucose en fructose daarentegen geven in het verschil tussen de test en de duplotest en de hoogtes
van de gemeten waardes een redelijk gelijk beeld. Glucose-B ligt qua maximaal vermogen bijna precies
gelijk met Fructose-A. Glucose-A ligt qua maximaal vermogen ook heel dicht bij Fructose-B. Echter
heeft bij beide paartjes de Glucose-MFC een hogere interne weerstand. Als deze wel gelijk zouden zijn,
zou glucose waarschijnlijk een hoger maximaal vermogen leveren, wat betekent dat deze beter zou
zijn. Er kan dus worden geconcludeerd dat glucose een hoger maximaal vermogen kan leveren in een
MFC dan fructose.
61
MFC’s: batterijen van bacteriën
Als naar de interne weerstand wordt gekeken, opgemaakt uit de potentiaalcurves, valt op dat de MFC’s
die heel slecht scoorden vergeleken met hun duplo in de vermogenscurves, ook een veel hogere
interne weerstand hadden in vergelijking met deze duplo in de potentiaalcurves. Hoe hoger de interne
weerstand van de MFC, hoe lager het maximale vermogen in de vermogenscurves blijkt volgens de
theorie en dit onderzoek. Daarnaast was de OCV-waarde van deze slecht scorende duplotesten ook
heel laag. De conclusie is dat het grote verschil in dit onderzoek tussen duplo- en gewone testen
waarschijnlijk kan worden verklaard door deze grotere interne weerstand en de kleinere OCV.
Het blijkt niet mogelijk om met dit onderzoek een conclusie te trekken voor de gehele precieze
onderzoeksvraag. Wel kon een conclusie worden getrokken over de twee monosachariden: van de
sachariden glucose en fructose is glucose waarschijnlijk de betere keuze.
De hypothese is in haar geheel niet uitgekomen: fructose heeft niet het hoogste maximale vermogen
gehaald. Ook zou glucose waarschijnlijk een beter resultaat geven als de interne weerstand niet hoger
was geweest in deze MFC’s.
62
MFC’s: batterijen van bacteriën
8. Discussie en vervolgonderzoek
Uit de resultaten kwam niet precies naar voren wat verwacht was: de duplotesten verschilden
bijvoorbeeld sterk van de gewone testen bij sommige MFC’s, en de controletest had een van de betere
uitkomsten. Ook de hypothese dat fructose de beste sacharide zou zijn, bleek fout te zijn. In dit stuk
zal eerst de foutieve hypothese zo goed mogelijk worden verklaard. Vervolgens zullen verschillende
factoren worden beschreven die het onderzoek hebben beïnvloed en zullen een paar opvallende
uitkomsten zo goed mogelijk worden verklaard. Na al deze punten zullen eventuele
vervolgonderzoeken worden beschreven.
De hypothese was dat de monosacharide fructose een hoger vermogen zou geven dan de andere
sachariden. Er is voldoende bewezen dat glucose een betere waarde heeft dan fructose, maar waarom
is dit zo? Een verklaring van dit fenomeen kan misschien worden gezocht aan de kant van de bacteriën.
In theorie zou volgens de Gibbs-vrije energie namelijk fructose wel de betere sacharide zijn. Glucose is
echter de meest voorkomende sacharide in de natuur, dus zullen de meeste soorten bacteriën deze
sacharide goed kunnen verwerken. Een verklaring zou kunnen zijn dat de bacteriën die wel fructose
konden verwerken, niet zo goed in staat waren om de elektronen aan de anode af te geven als de
bacteriën die glucose konden verwerken. Misschien was er een bacterie die wel goed glucose kon
afbreken en erg goed was voor gebruik in de MFC, en die niet in staat was om fructose af te breken.
Dit zou betekenen dat glucose beter is, zoals uit de test blijkt.
Zoals eerder gezegd kunnen de grote verschillen in dit onderzoek waarschijnlijk verklaard worden door
het grote verschil in de interne weerstand en in de OCV. Het verschil in interne weerstand kan
verschillende oorzaken hebben, die straks zullen worden toegelicht. Het verschil in de OCV is lastiger
te verklaren. OCV is namelijk de spanning wanneer er geen stroom is, waardoor er geen ohmse
verliezen zijn. Wel kunnen energieverliezen optreden bij de anode en kathode: activatie-,
metabolisme- en concentratieverliezen. Bij dezelfde concentratie en soort stoffen/bacteriën (zoals bij
de duplo- en controletest verwacht wordt), zou eigenlijk worden verwacht dat deze verliezen hetzelfde
zijn, en dat de OCV dus dezelfde waarde zou hebben. Dit kan een fout in de onderzoeksmethode zijn,
maar eventueel kan ook een niet eerder ontdekt energieverlies in de gebruikte MFC’s meespelen. In
dit onderzoek kan geen logische verklaring voor dit verschil worden gevonden; het zou een goed
vervolgonderzoek zijn om dit uit te zoeken.
8.1 P,t-diagram
Naast de rare resultaten in de potentiaal- en vermogenscurve, viel in het P,t-diagram ook iets speciaals
op: na de tweede verversing van de oxidator kwam het vermogen een stuk hoger te liggen. Dit kan
worden verklaard doordat de concentratie van de oxidator in de kathodeoplossing werd verhoogd
tijdens de verversing. Het zou ook voor een deel verklaard kunnen worden doordat in de tussentijd
meer bacteriën op de anode konden groeien en deze met z’n allen een hogere stroom konden
opwekken, waardoor een hoger vermogen werd waargenomen.
Daarnaast viel op dat de MFC’s die goed scoorden in de laatste meting van de P,t-diagram, ook goed
scoorden tijdens de potentiaalcurve. Deze MFC’s waren echter niet op elk moment in deze grafiek de
beste. Als dus op een ander moment de potentiaalcurve zou zijn genomen, zou die juist beter zijn.
Sacharose-B geeft in de vermogenscurve bijvoorbeeld een heel lage waarde, terwijl deze na de tweede
verversing juist de beste waarde gaf van de hele grafiek. Als op dat moment de vermogenscurve was
gemaakt, had dat misschien een heel ander beeld opgeleverd.
8.2 Elektrodes
De interne weerstand kan ten eerste sterk beïnvloed zijn door de elektrodes. In de opstelling is
gebruikgemaakt van elektrodes, zowel in het glas met het medium als in het glas met de oxidator. In
het glas met medium is de hoeveelheid bacteriën op dezelfde plekken nooit gelijk. Wel is het mogelijk
om de elektrodes zo veel mogelijk op dezelfde positie te hangen. De bacteriën die zich niet rond de
anode bevinden, moeten hun elektronen afgeven aan mediatoren. Hoe groter de afstand die deze
63
MFC’s: batterijen van bacteriën
mediatoren moeten afleggen, hoe groter het verlies van energie en hoe groter de innerlijke weerstand.
Ook geldt: hoe groter de afstand die de positief geladen deeltjes moeten afleggen door de elektrolyt
naar de zoutbrug, hoe groter de innerlijke weerstand. Het was niet mogelijk om de elektrodes precies
op dezelfde plek te plaatsen, waardoor de interne weerstand verschilt tussen de verschillende MFC’s.
Dit heeft gevolgen gehad voor de resultaten, zoals gezegd in de conclusie.
De schroefjes waarmee de elektrodes aan het draadje verbonden waren, gemaakt van ijzer en koper,
reageerden in een testopstelling met water: ze begonnen te roesten. Dit probleem is geprobeerd op
te lossen door deze schroefjes zo goed mogelijk af te sluiten van het medium, door ze in te kitten en
door er parafilm omheen te wikkelen. Dit bleek echter niet ideaal: tijdens het afbreken van de MFC’s
was duidelijk de groene kleur van koperionen te zien aan de buitenkant van de kit. Ook was de kit heel
brokkelig geworden.
Dit ijzer en koper kan op twee plekken hebben gereageerd: zowel in de kathodekamer als in de
anodekamer. In de kathodekamer kon het direct reageren met de oxidator kaliumpermanganaat. Dit
zou kunnen verklaren waarom er te veel oxidator was omgezet na vier dagen.
Als het vaste ijzer of koper in de opstelling als reductor zou reageren in de anodekamer (met
bijvoorbeeld de oxidator in het andere bekerglas via de stroomdraad), zouden ijzer- of koperionen in
het medium komen. Die konden vervolgens met de vrijgemaakte elektronen van de bacteriën
reageren. Als dit zou gebeuren, zouden elektronen verloren gaan. Ook zijn koperionen dodelijk voor
bacteriën, wat misschien belangrijke bacteriën heeft uitgeschakeld. De vrijgekomen elektronen bij het
oxideren van koper en ijzer zullen zich door de stroomkring bewegen om vervolgens met de oxidator
te reageren, wat een hogere spanning oplevert dan alleen de spanning van de bacteriën.
Het parafilm dat is gebruikt om de schroefjes af te schermen van het medium, verminderde het
oppervlakte van de elektrodes. Deze vermindering is geprobeerd zo constant mogelijk te houden door
eerst heel precies met een schuifmaat 13,0 mm af te meten. Het wikkelen van het parafilm lukte echter
niet zo precies, waardoor kleine verschillen tussen de oppervlakte van de elektrodes kunnen zijn
ontstaan.
Ook is niet duidelijk of het kit en het lang in het medium verblijvende parafilm enig effect zal hebben
op de bacteriën, of bijvoorbeeld de elektronenoverdracht. Later bleek dat de kit uiteindelijk brokkelig
werd en dat vooral in de bakjes met de oxidator toch een reactie had plaatsgevonden met de
schroefjes.
De elektrodes in het bekerglas met de oxidator zijn tijdens het proces van meten in twee gevallen
losgekomen, bij de opstelling fructose-A en bij controletest-B: het koper in de draadjes had gereageerd
met de oxidator. De connectie met het grote oppervlak van de elektrode was verbroken, waardoor de
elektronen minder makkelijk konden reageren met de oxidator. De stroomkring was nog wel aanwezig,
omdat het draadje nog wel in het water hing, maar de overdracht was veel minder makkelijk, en dus
was de interne weerstand veel hoger. Ook moest de stroomkring voor een paar uur verbroken worden
om dit probleem te verhelpen, waardoor de bacteriën even geen elektronen konden afgeven en zo
niet of minder goed konden groeien. Bij het afbreken van alle opstellingen bleek echter dat in alle
bekerglazen met permanganaat het koper had gereageerd, soms zelfs van meer dan alleen het draadje.
Hieruit volgt dat de connectie tussen de draad en de elektrode misschien bij meerdere opstellingen
minder goed was, maar dat dit niet zicht- en merkbaar was, door de kit en parafilm die om de
elektrodes gewikkeld zat. Hierdoor kan eventueel bij sommige opstellingen de interne weerstand zo
hoog zijn geworden dat de waardes die gemeten zijn niet meer kloppen.
De koolstofelektrodes zijn voorzien van een dun laagje platinakatalysator. Deze laag en een deel van
de koolstof zelf hebben waarschijnlijk gereageerd met het aangezuurde kaliumpermanganaat. Er zat
rond de elektrode een korrelachtige laag na de testen; die kon er gemakkelijk worden afgehaald bij
het afvegen met een doekje. Dit zou bruinsteen kunnen zijn, maar het leek meer op koolstof. Door het
verlies van koolstof ging in ieder geval een klein beetje oppervlak van de kathode verloren; zo werd
het lastiger voor de elektronen om te reageren. In theorie zou deze reactie bij elke opstelling
64
MFC’s: batterijen van bacteriën
plaatsgevonden moeten hebben en dus geen invloed hebben gehad op de resultaten, maar het
kleinste verschil in de hoeveelheid gereageerd platina en koolstof heeft wel een effect. Eventueel zou
het daarom wel invloed hebben gehad; de vraag is dan of deze significant is.
8.3 Zoutbruggen
De zoutbruggen hadden niet allemaal dezelfde weerstand (wat van tevoren is gemeten), wat betekent
dat de ene zoutbrug makkelijker H+ doorliet dan de andere. Hierdoor is de interne weerstand van elke
MFC anders. Er is wel geprobeerd om dit bij de opstellingen met verschillende sachariden gelijk te
houden. De zoutbruggen hadden namelijk twee verschillende weerstanden, en elke sacharidesoort
heeft een van beide zoutbruggen gekregen. De precieze interne weerstanden van de zoutbruggen
konden niet worden gemeten, omdat deze niet de elektronen, maar de positief geladen deeltjes door
zich heen laten stromen. Wel kon de kortsluitstroom worden gemeten als deze zoutbrug werd gebruikt
in een simpele batterij uit oxaalzuur en aangezuurd kaliumpermanganaat, die precies twee waardes
had: 3,2 mA en 3,5 mA. Hieruit kon worden bepaald dat er ook twee verschillende interne weerstanden
moesten zijn. Er is zo veel mogelijk geprobeerd om deze fout in te perken door elke waarde van de
zoutbrug bij elke soort sacharide in de MFC paraat te hebben. Zo hadden de hoofdopstellingen de ene
waarde en de duplotesten de andere waarde. Dit zou het verschil tussen de gewone en duplotest
kunnen verklaren, maar dit is niet duidelijk te zien bij elke soort sacharide, terwijl ze allemaal van beide
soorten hadden gekregen. Er is wel een verschil tussen de testen van glucose en fructose, maar dit is
niet zo groot als bij de zetmeel, sacharose en de controletest. Een deel van dit grote verschil kan
hiermee dus verklaard worden, maar niet alles. Een mogelijkheid zou kunnen zijn dat door het oplossen
van de agar of andere oorzaken de weerstand tijdens het onderzoek hoger of lager geworden is in
bepaalde zoutbruggen.
Bij afbraak van de opstellingen werd zichtbaar dat de kant van de zoutbruggen die zich in het
aangezuurd kaliumpermanganaat bevonden hadden, bruin was geworden en een heel klei- of
modderachtige consistentie had. De consistentie aan dit uiteinde was heel zuur. Er is waarschijnlijk
een beetje bruinsteen opgenomen door de zoutbrug, waardoor de zoutbrug een bruinzwarte kleur
kreeg. Zoutbruggen zijn namelijk nog steeds een vloeistof (daarom geleiden ze ook), al zijn ze zo viskeus
dat ze niet uit de U-buizen kunnen lopen. De zuurgraad is te verklaren doordat het zuur aan die kant
lichtelijk naar binnen trok. De zoutbruggen waren dus wel aangetast. Al was het maar een klein puntje
dat bruin was, dit kan wel degelijk gevolgen hebben voor de resultaten. In alle waarschijnlijkheid is dit
bij elke zoutbrug in elke opstelling ongeveer evenveel opgetreden en dus bij elke zoutbrug gelijke
gevolgen gehad, maar als dit niet het geval is en in een van de opstellingen bijvoorbeeld net iets meer
is gebeurd, heeft dit zeker invloed op de weerstand van de zoutbrug en zo op de resultaten van het
geheel. De zoutbruggen zouden dan namelijk minder goed geleiden, zodat deze MFC een hogere
interne weerstand zou hebben.
De zoutbruggen zijn gemaakt van kaliumchloride, water en agar. Agar wordt gebruikt om de zoutbrug
te laten opstijven. Het is een polysacharide, die onder andere bestaat uit galactose. Er bestaat dus een
mogelijkheid dat de bacteriën de agar hebben afgebroken om hier vervolgens de redoxreactie mee te
doen, die eigenlijk uitsluitend met de toegevoegde sacharide plaatsgevonden zou moeten hebben. Het
zou dus kunnen dat bijvoorbeeld de bacteriën in het bekerglas van een sacharide dat heel snel was
opgebruikt, vervolgens de reactie zijn gaan uitvoeren met de agar. Als dit het geval zou zijn, was dus
niet te zien wanneer een sacharide opgebruikt zou zijn. Ook zou het een reden kunnen zijn waarom
een zeer slecht werkende sacharide toch een hoge waarde opleverde, omdat de bacteriën de reactie
toch goed konden uitvoeren. Het zou ook verklaren waarom de bacteriën in de controletests toch in
leven konden blijven (en dus een stroom konden afgeven) zonder specifiek toegevoegde
sacharidebron. Door het verbruiken van de agar die het kaliumchloride bijeenhoudt, ontstaat extra
zout en komen kalium- en chloorionen in het medium. Dit zou effect hebben op de geleidbaarheid van
de vloeistof en is misschien gevaarlijk voor de bacteriën wegens osmose. De mate waarin de
zoutbruggen zijn afgebroken, is niet duidelijk; het zou wel voor de hand liggen dat in de opstellingen
met de voor de bacteriën minder goed werkende sachariden meer agar is verbruikt en dat dit
65
MFC’s: batterijen van bacteriën
voornamelijk het geval is in de controletest, omdat daar in zijn geheel geen extra sacharide is
toegevoegd.
8.4 Weerstanden
In de stroomkring was tijdens het groeien bij elke opstelling een weerstand geschakeld. Deze
weerstanden hadden niet allemaal precies dezelfde waarde, ze verschilden tussen weerstanden van
823, 824, 825, 826 en 827 Ohm. Dit verschil is nihil, maar dit kleine verschil kan er wel voor zorgen dat
de elektronen meer weerstand ondervonden op hun weg richting de oxidator, waardoor het proces
een beetje moeizamer ging. Hoe groot dit verschil is, is niet duidelijk. Ook zijn tijdens het meten van
de waardes van de potentiostat weerstanden gebruikt; deze weerstanden hadden waardes van laag
naar hoog. De waardes zijn nagemeten voor de meting en voor de zekerheid ook achteraf nog een
keer. Bij de tweede keer meten was duidelijk een verschil te zien met de eerste meting van de waardes.
De weerstanden fluctueerden dus nog ernstig tussen bepaalde waardes. Uiteindelijk is ervoor gekozen
om de eerst gemeten waardes van de weerstanden te nemen, maar het is dus niet helemaal duidelijk
hoeveel Ohm ze precies zijn. Het kan zijn dat dit heeft geleid tot niet helemaal betrouwbare
stroomsterktes.
Zoals gezegd: omdat niet genoeg weerstanden van de verschillende soorten aanwezig waren, is ervoor
gekozen om maar één weerstand te gebruiken per waarde, die de hele tijd werd gewisseld tussen de
verschillende MFC’s. Hierdoor moesten de weerstanden in verschillende volgordes worden
aangesloten. In bron (7) staat dat voor een goede potentiaalcurve van een hoge naar een lage
weerstand moet worden gemeten en andersom. De MFC’s moeten namelijk eerst hun pseudo-steady
state bereiken, wat langer duurt als sprake is van een onlogische volgorde in de externe weerstanden.
Voor betere resultaten had de volgorde misschien voor elke MFC gelijk moeten blijven, maar dit was
niet mogelijk i.v.m. de tijd die het duurde om deze test te doen (5 uur), en het feit dat niet alle
weerstanden genoeg aanwezig waren. Eventueel zou deze volgorde, waarin de oneven en even
weerstanden na elkaar van hoog naar laag werden gemeten, de twee groepjes kunnen verklaren die
soms te zien zijn in de grafieken, bijvoorbeeld in de potentiaalcurve van Zetmeel-A.
8.5 Punten aan het begin van de grafiek
In de potentiaalcurves viel op dat vaak de eerste vier punten in de grafiek lager uitkomen dan verwacht
werd: ze zijn een beetje lager dan de lijn die door alle andere punten getekend kan worden. Dit is in
alle grafieken te zien; de kans dat dit een meetfout is, is dan ook heel klein. Dit zou verklaard kunnen
worden door het feit dat in de volgorde van weerstanden waarin de potentiaalcurve gemaakt is, de
hoge weerstanden (die deze punten opleveren) meteen na de extreem lage weerstanden komen.
Misschien hadden de MFC’s niet genoeg tijd om zich te herstellen tot de goede waarde. In andere
onderzoeken liggen deze punten juist vaak boven de verwachte lijn, omdat bij een lage interne
weerstand de andere verliezen een nog grotere rol spelen, zoals beschreven in 3.4.3 Analyse van de
MFC. Uit de potentiaalcurve wordt de vermogenscurve afgeleid. Omdat het vermogen gelijk is aan de
vermenigvuldiging van de stroom en de spanning, zou de trendlijn van de vermogenscurve theoretisch
gelijk moeten zijn aan de uitkomst van de vermenigvuldiging van x (de stroom) met de formule voor
de trendlijn van de potentiaalcurve (de spanning). Bij alle grafieken is dit echter niet zo. Een verklaring
zijn deze eerste punten, die het verloop van de trendlijn beïnvloeden. Als Glucose-A als voorbeeld
wordt genomen, kunnen de volgende grafieken worden getekend:
66
MFC’s: batterijen van bacteriën
Grafiek 40: Originele en herziene grafieken Glucose-A
Te zien valt dat bij de originele grafieken de formule voor de trendlijn van de vermogenscurve heel
anders is dan de formule voor de trendlijn van de potentiaalcurve. Bij de herziene grafieken is dit
verband veel duidelijker: (-1068,5x + 1,2656) * x = -1068,5x2 + 1,2656x. Dit ligt heel dicht bij de
formule voor de trendlijn van de vermogenscurve.
Hier zit dus eventueel een fout in het onderzoek. De eerste vier punten zijn onder het kopje 6.
Resultaten niet weggehaald, omdat het wel metingen zijn die sterk met elkaar overeenstemmen: de
vier punten liggen zeer dicht bij elkaar. Het zou eventueel zo kunnen zijn dat de meetfout niet hier zit,
maar ergens anders in de grafiek. Daarom is ervoor gekozen om die punten niet uit de resultaten te
halen, maar om ze erin te houden.
Eventueel zou dit ook de OCV-waarde kunnen verklaren. Als bepaalde punten worden weggehaald bij
de metingen met de lage OCV-waarde, leidt dit uiteindelijk tot een OCV-waarde die redelijk dicht (+/0,1 V verschil) in de buurt van de duplo kwam te zitten. Hiervoor moesten zowel de eerste als de laatste
paar punten worden weggehaald, wat redelijk veel punten zijn. Dit zou zo’n grote invloed hebben op
de betrouwbaarheid van de trendlijn, dat ervoor gekozen is dit niet als aannemelijk te beschouwen en
dit niet te doen. Wel moest hier vermeld worden dat dit een optie is.
8.6 Onderbroken stroomkring
Tijdens het proces is af en toe de stroomkring verbroken. Er is zo veel mogelijk geprobeerd dit voor
alle opstellingen gelijk te houden, maar in sommige gevallen was het niet mogelijk. Zo waren in twee
gevallen de elektrodes niet meer aangesloten aan elkaar, maar ook om bijvoorbeeld de oxidator te
verversen is de stroomkring verbroken, en om af en toe een blik te werpen op de zoutbrug of de
elektrode. Het is mogelijk dat de bacteriën na verbreken van de stroomkring bij aansluiting weer even
tijd nodig hebben om de stroom te herstellen: ze konden een tijdje nergens heen met hun elektronen,
waardoor ze misschien zijn overgegaan op anaerobe fermentatie. De tijd is natuurlijk zo kort mogelijk
gehouden; hoe langer het zou duren, hoe minder de bacteriën de mogelijkheid hadden om te groeien,
omdat ze geen elektronen konden overdragen. Bij het verversen van de oxidator zou dit geen invloed
gehad moeten hebben, omdat dit bij elke opstelling gebeurde, tenzij het langer duurde bij de ene dan
bij de andere MFC. Bij het individueel afkappen van een stroomkring zou dit natuurlijk wel invloed
hebben, omdat dan alleen een van de opstellingen moest herstellen van de onderbreking, waardoor
67
MFC’s: batterijen van bacteriën
tijd om te groeien verloren ging. Dit laatste was voornamelijk het geval bij de twee bekerglazen
waarvan de elektrode kapot gegaan was, maar ook bij alle korte interrupties.
Daarnaast kan de stroomkring ook af en toe zijn kortgesloten. Als de krokodillenklemmen van de MFC
per ongeluk tegen elkaar kwamen, bijvoorbeeld tijdens het meten van de spanning, werd de batterij
kortgesloten. Dit veroorzaakte een tijdje een sterkere stroom, wat misschien invloed heeft gehad op
de resultaten, doordat dit invloed kan hebben gehad op de hoeveelheid en de energie van de
elektronen die op dat moment door de bacteriën zijn afgegeven.
8.7 Toegevoegde stoffen
Om zuurstof te binden in het medium is cysteïne toegevoegd. Dit is gedaan in de vorm van cysteïne uit
een capsule. De capsule bevat een aantal ingrediënten naast cysteïne-HCl als vulstof. De capsules zijn
wel toegevoegd omdat in eerste instantie het idee was dat ze geen stoffen bevatten die het onderzoek
zouden kunnen beïnvloeden. Later bleek echter dat de capsules als vulstof microkristallijne cellulose
bevatten; dit is een veelgebruikte stof voor dit soort doeleinden. Deze stof is samengesteld uit onder
andere glucose. De stof kon misschien worden afgebroken door bacteriën die het vervolgens gebruiken
in de citroenzuurcyclus. Dit zou een reden kunnen zijn waarom de controletests toch een uitslag gaven;
de bacteriën hebben de cellulose gebruikt als voedingsbron en zijn zo in leven gebleven. Ook heeft het
effect op de resultaten, omdat als de toegevoegde sacharide op zou zijn, dit niet te merken zou zijn,
omdat in plaats van de toegevoegde sacharide de kristallijne cellulose gebruikt wordt als voedingsbron.
Hetzelfde geldt voor het feit dat deze stof misschien wel makkelijker te gebruiken is dan een van de
andere sachariden, waardoor geen duidelijke meetgegevens over deze ene sacharide worden
vergaard.
Methyleenblauw is in dit onderzoek gebruikt als indicator voor zuurstof. Daarnaast kan het ook worden
gebruikt als elektronenmediator: bacteriën die niet aan de anode zitten, kunnen hun elektronen
afgeven aan methyleenblauw, die op de anode deze elektronen afgeeft.
Als methyleenblauw zich in een omgeving bevindt waar een oxidator aanwezig is, zoals zuurstof, zal
deze blauw kleuren. De oplossing kleurde tijdens de duur van de test niet blauw. Het viel echter op dat
de oplossing niet blauw kleurde nadat het experiment was afgelopen en het parafilm van de
bekerglazen werd afgehaald en een tijdje had gestaan. Dit zou kunnen betekenen dat tijdens de
experimenten het medium ook niet zuurstofloos was. Als de mate van zuurstofloosheid verschilde, kan
dat de resultaten hebben beïnvloed. Een verklaring zou zijn dat de bacteriën elektronen al hebben
afgegeven aan het methyleenblauw dat net in contact is gekomen met zuurstof, voordat genoeg
methyleenblauw heeft gereageerd om de oplossing blauw te kleuren.
Daarnaast blijkt methyleenblauw ook gebruikt te worden voor het behandelen van onder andere
bacterie-infecties bij zieke vissen. (19) Dit zou kunnen zorgen dat sommige soorten bacteriën bij de
MFC’s voor een bepaalde sacharide niet aanwezig waren, wat mogelijk de resultaten heeft beïnvloed.
Onder de microscoop leek het erop dat de meeste bacteriën zich bevonden in de onderste laag met
suspensie; onder de microscoop waren zelfs een paar bewegende zichtbaar. Een beetje vloeistof uit
deze laag werd dan ook gebruikt in het volgende medium als bacteriebevattende stof. Het is echter
niet zeker wat deze neerslag nog meer bevatte. Hij zou bijvoorbeeld veel ijzer (Fe2+ en/of Fe3+) hebben
kunnen bevatten, wat de testresultaten kan hebben beïnvloed door de reducerende/oxiderende
werking van deze stoffen.
Ook als er niet meer ijzer in de onderste laag zat dan in de rest van de oplossing, zal altijd een beetje
van het toegevoegde ijzer meekomen naar de verschillende MFC’s. Door de gebruikte hoeveelheden
bacteriesuspensie per medium gelijk te houden, is zo veel mogelijk geprobeerd om deze verstoring
gelijk te houden voor alle MFC’s. Dit kan echter uiteindelijk wel de resultaten hebben beïnvloed.
Daarnaast was de verwachting dat in deze laag suspensie op elke plek ongeveer dezelfde
hoeveelheden van elke soort bacterie zou zitten. Dit zou zomaar niet zo kunnen zijn. Ook al is zo veel
mogelijk geprobeerd om de monsters op dezelfde plek te nemen, misschien bevatten sommige MFC’s
kleinere hoeveelheden van bepaalde soorten bacteriën, zodat de beginwaardes voor elke MFC niet
68
MFC’s: batterijen van bacteriën
gelijk waren. Dit zou de resultaten beïnvloed kunnen hebben, doordat bijvoorbeeld net die ene
bacterie die heel goed is bij een bepaalde sacharide, toevallig (bijna) niet in die MFC met die sacharide
aanwezig was, zodat deze MFC niet de ideale biofilm heeft gekregen. Hierdoor zouden deze MFC’s een
lagere waarde geven dan ze eigenlijk zouden moeten geven.
Onze bacteriën zijn gehaald uit modder en afvalwater. Deze bevatten echter niet alleen bacteriën,
maar ook andere micro-organismen, zoals schimmels en algen. Het idee was om de schimmels zo veel
mogelijk te doden door het medium anaeroob te maken, waar de meeste schimmels niet tegen
kunnen. Sommige schimmels, zoals gisten, kunnen hier echter wel tegen. Sommige MFC’s bevatten
duidelijk schimmels, die ook waargenomen zijn met de microscoop (zie bijlage 2). Sommige MFC’s
bevatten in veel grotere mate schimmels dan andere bekerglazen. Dit kan ervoor hebben gezorgd dat
in die bekerglazen een minder grote hoeveelheid sacharide voor de bacteriën aanwezig was. Dit kan
de testresultaten ernstig hebben beïnvloed.
Onder de microscoop waren ook groene klompjes te zien (zie bijlage 2). Bij sommigen leken aparte
cellen te zien te zijn, maar het is niet zeker wat deze klompjes precies waren. Dit kunnen eventueel
bacteriën zijn geweest, maar ook (micro-)algen. Als het micro-algen of photo-autotrofe bacteriën
waren, waren ze in staat tot fotosynthese. Dit betekent dat deze organismen de aanwezige CO2 hebben
opgenomen en met behulp van zonlicht hebben omgezet in zuurstof en sachariden. Dit kan op twee
manieren de resultaten hebben beïnvloed: ten eerste ontstonden ongewild bepaalde soort sachariden
in de bekerglazen, ook in de controletesten. Daarnaast zou ook zuurstof ontstaan, wat de anaerobe
omstandigheden van de bekerglazen ongedaan zou maken.
8.8 Hoeveelheden stoffen
Van alle sachariden is 0,1 gram per liter toegevoegd aan het medium voor de MFC’s. Zo ook voor
lactose. De lactose die is gebruikt, bleek lactosemonohydraat te zijn. In het kristalrooster zit per
molecuul lactose één molecuul water ingesloten. Dit extra molecuul zorgt ervoor dat één molecuul
een beetje extra gewicht heeft. Hierdoor bevat 0,1 gram per liter minder lactosemoleculen dan
eigenlijk had gemoeten, omdat een deel van het gewicht door het water werd ingenomen. Hieruit
volgt dat de bacteriën in de opstelling waaraan lactose is toegevoegd, minder mogelijkheid hadden om
elektronen vrij te maken. Dit kan ervoor zorgen dat er minder mogelijkheid was voor groei en de
productie van elektronen, wat tot een lager eindresultaat van lactose geleid kan hebben.
De hoeveelheden vloeistof in zulke grote mate was lastig om precies af te meten. Er is natuurlijk
geprobeerd om de waardes precies zoals aangegeven op het glaswerk te laten zijn, maar soms was het
glaswerk zo groot (5 L-bekerglazen) dat deze maatstrepen een grote foutmarge hebben. Als het
bekerglas heel groot is, is bij slechts 1 millimeter boven of onder de aangegeven streep al een
behoorlijk groot verschil ontstaan. Zo is dit waarschijnlijk gebeurd bij het maken van het medium. Toen
alle aparte flessen met medium gevuld waren, was meer medium over dan gepland. Dit betekent dat
teveel water toegevoegd was, wat ertoe leidt dat de concentraties niet geheel meer klopten. Alle
stoffen waren namelijk afgewogen voor een bepaald aantal liters, maar nu er teveel was, klopte de
molariteit niet meer. Zo is dat gegaan bij zowel de reductor als bij de oxidator. Wel is bij elke MFC dit
zo gelijk mogelijk gehouden door de anodevloeistof voor alle anodes in één grote hoeveelheid te
maken, zodat er geen concentratieverschillen waren tussen de MFC’s. Op den duur moest wel één liter
worden afgemeten, waarna de sachariden zijn toegevoegd. Het zou kunnen dat per ongeluk bij
sommige media net iets meer of minder dan één liter is afgemeten, zodat er uiteindelijk wel een
concentratieverschil was tussen de verschillende media.
8.9 Meetapparatuur
De gebruikte meetapparatuur – denk voornamelijk aan weegschalen, maar ook aan de multimeters –
zullen nooit precies de juiste waarde aangeven. Zo kon een stof worden afgewogen tot twee cijfers
achter de komma en zelf dan was het zo dat het laatste cijfer sterk fluctueerde. Hierdoor kan het zijn
69
MFC’s: batterijen van bacteriën
dat van sommige stoffen net te veel of net te weinig afgewogen is. Er zijn verschillende weegschalen
gebruikt die eventueel net een beetje anders gekalibreerd zullen zijn. Het kan zijn dat de concentraties
van sommige stoffen dus hoger zijn dan van andere, terwijl deze in principe hetzelfde zouden moeten
zijn. Dit kan invloed hebben op de resultaten, omdat bijvoorbeeld in één van de opstellingen meer
sacharide is gekomen in vergelijking met een andere, waardoor de bacteriën beter hebben kunnen
groeien.
Ook de multimeters kunnen maar tot een bepaald getal achter de komma meten (hangt af van de
stand waarin de multimeter staat) en ook deze apparaten zullen een bepaalde fout meten, waardoor
het kan zijn dat sommige waardes lichtelijk zullen verschillen. Dit kan effect hebben op de uiteindelijk
gemeten resultaten.
8.10 Schoon en steriel glaswerk
Er is geprobeerd het glaswerk dat op school beschikbaar was, zo schoon en steriel mogelijk te maken.
Het zal echter nooit mogelijk zijn om alle factoren uit te sluiten. Er is altijd de mogelijkheid dat een zeer
kleine rest van een bepaalde stof in de bekerglazen zat. Dit zou het onderzoek kunnen beïnvloeden
door bijvoorbeeld een reactie met het kaliumpermanganaat. Zo zou het kunnen dat de bekerglazen
met aangezuurd kaliumpermanganaat nog een restje van de vorige stoffen bevatten die dan zouden
reageren met deze oxidator.
De literflessen waarin het medium gemaakt is, zijn zo goed mogelijk steriel gemaakt door ze lange tijd
in de incubator te laten staan op 122 graden Celsius, maar na een nacht in de incubator werd duidelijk
dat twee van de zes flessen niet goed schoon waren. Aangezien het niet mogelijk was om langer te
wachten, is ervoor gekozen om twee flessen zo goed mogelijk snel steriel te maken ze drie keer te
spoelen met alcohol, ze vervolgens lichtelijk te verhitten boven een vlam en ze hierna driemaal te
spoelen met demiwater. De andere flessen zijn dusdanig lang op hoge temperatuur geweest, dat alle
organismen dood gegaan moeten zijn, maar bij het spoelen met alcohol en het lichtelijk verhitten is
niet helemaal zeker of ze wel zo steriel geworden zijn als de andere flessen met medium. Ook kan het
zijn dat een restje alcohol is achtergebleven in deze literflessen. Als dit het geval is, zou het kunnen
dat de alcohol is opgelost in het medium en effect heeft gehad op de leefbaarheid voor de bacteriën
en zo op de resultaten. Er is voor gekozen om het medium van de controletest en van zetmeel in deze
flessen op te slaan. Omdat het verschil tussen het steriel maken van deze flessen zo groot is in
vergelijking met de andere flessen, zou het kunnen zijn dat dit een verschil in de resultaten heeft
veroorzaakt.
Ook bleek het niet goed mogelijk om de 1 L-flessen met medium goed te steriliseren. Er is zo goed
mogelijk geprobeerd om ze sterieler te maken door deze flessen lange tijd bij 100 °C te houden. Echter
zullen sommige bacteriën zijn achtergebleven; deze zouden eventueel de testresultaten hebben
kunnen beïnvloeden door in het ene medium meer aanwezig te zijn dan in het andere medium.
8.11 Anaerobe omstandigheden
Om het medium zo anaeroob mogelijk te houden is cysteïne-HCl toegevoegd aan het medium.
Daarnaast is parafilm (twee lagen) over het bekerglas getrokken om het zo anaeroob mogelijk te
houden. Het parafilm zal echter nooit geheel luchtondoorlatend zijn: het zal het proces vertragen,
maar alles tegenhouden is niet mogelijk. Dit komt mede doordat het parafilm over een aantal obstakels
heen getrokken moest worden, onder meer langs een buisje, ijzerdraadjes en de draad van de
elektrode. Hier is alles zo strak mogelijk omheen gelegd, maar deze openingen zullen nooit volledig
afgesloten zijn. Ook is het waarschijnlijk mogelijk voor zuurstofmoleculen om gewoon door het
parafilm heen te gaan. Om al de proefopstellingen precies hetzelfde te bekleden met parafilm was niet
mogelijk; sommige zullen dus beter anaeroob geweest zijn dan andere. Dit kan ervoor zorgen dat in
sommige bekerglazen de bacteriën beter konden groeien dan in andere.
70
MFC’s: batterijen van bacteriën
8.12 Licht en temperatuur
Geprobeerd is alle MFC’s zo veel mogelijk op dezelfde plek te laten staan, zodat er zo min mogelijk
verschil was in de hoeveelheid licht die op de bekerglazen kwam. De hoeveelheid licht is van belang,
omdat de mogelijkheid bestaat dat sommige bacteriën onder invloed van de straling minder goed, of
juist beter zullen functioneren. Ook zullen de vloeistoffen zijn opgewarmd door de invloed van licht en
de verwarming, die aan één kant van de kamer stond, wat ook invloed gehad kan hebben op het
functioneren. Toch was het natuurlijk niet mogelijk om ze op precies dezelfde plek te plaatsen; ook
was het niet praktisch om ze volledig af te sluiten van het licht. Omdat alle testopstellingen-A iets
dichter bij het raam en de verwarming stonden, en niet in de schaduw van een kast, is het mogelijk dat
deze zich anders gedragen hebben dan alle testopstellingen-B, die verder van het raam af stonden.
Wel is ervoor gezorgd dat per testopstelling alle sachariden in dezelfde lichtsterkte stonden, en even
ver van de verwarming.
8.13 Zuurgraad
In het bekerglas van de oxidator bevond zich aangezuurd kaliumpermanganaat. Dit bekerglas stond in
verbinding met het bekerglas met het medium door middel van een zoutbrug, die ionen kan
overdragen. In principe was deze zoutbrug bedoeld om het verschil in elektrische geladenheid gelijk te
houden, waardoor de elektronen zouden kunnen blijven lopen. Het is echter ook mogelijk voor de H+ionen in het bekerglas met de oxidator om zich door de zoutbrug te verplaatsen. Omdat de druk van
H+-ionen hoger is in het bekerglas met de oxidator (door de lagere pH), willen deze zich verspreiden
over alle vloeistoffen en trekken ze richting de anodekamer. Ook worden protonen gevormd in het
medium; door de hoge zuurgraad aan de andere kant zullen deze niet makkelijk naar de oxidator lopen.
De zuurgraad zou dan in het medium zijn gestegen, wat misschien niet bevorderlijk is voor de
leefbaarheid voor bacteriën in het medium. Na afloop is met een indicatorpapiertje inderdaad
aangetoond dat het medium gemiddeld zuurder was (ongeveer een pH van 5) dan de bedoeling zou
zijn. Dit kan ook verklaard kunnen worden door anaerobe vergisting, waarbij melkzuur ontstaat.
Uiteindelijk kan dit verschil in pH zorgen voor een verschil in groei van bacteriën, al zou dit theoretisch
overal evenveel moeten optreden. Echter kan het zo zijn dat door de vermeerderde afbraak van een
bepaalde sacharide meer protonen in het ene bekerglas werden geproduceerd dan in het andere,
zodat de pH van het ene bekerglas iets kan verschillen van het andere bekerglas. Het kan er in ieder
geval voor gezorgd hebben dat de resultaten die verkregen zijn, misschien lager zijn uitgevallen dan
zonder dit zure medium gebeurd zou zijn, door de veranderde reactiequotiënt (zie formule (6)).
8.14 Stikstof-fixatie
Zoals eerder gezegd in de methode is gasvormig stikstof door het medium geleid om het basismedium
anaerober te maken. Hierdoor steeg de concentratie stikstof in het medium. Deze grote concentratie
heeft misschien invloed gehad op de resultaten. Sommige soorten bacteriën zijn namelijk in staat om
gasvormig stikstof om te zetten naar ammoniak (NH3), wat ze energie kost (stikstof-fixatie). Er werd
verwacht dat dit weinig of geen invloed zou hebben op de resultaten.
Toch kan dit eventueel invloed hebben gehad. Als stikstofbron was het zout NH4Cl toegevoegd. De
MFC’s met veel stikstof-fixerende bacteriën zullen een hogere concentratie stikstofbronnen hebben
gehad, omdat deze bacteriën voor extra opneembaar stikstof zorgden in de vorm van ammoniak.
Aangezien niet elke MFC dezelfde bacteriecombinatie meer had aan het einde van de test (doordat
sommige bacteriën beter met bepaalde sachariden konden functioneren), kan dit wel degelijk invloed
hebben gehad.
71
MFC’s: batterijen van bacteriën
8.15 Vervolgonderzoek
Er is een aantal vervolgonderzoeken te bedenken met betrekking tot dit onderzoek. Hier volgt een
aantal ideeën voor vervolgonderzoeken die de moeite waard zouden zijn:
Meer sachariden en betere materialen: ditzelfde onderzoek uitvoeren met meerdere sachariden zou
heel interessant zijn. Hierdoor zou te zien zijn wat werkelijk het verschil is tussen mono-, di- en
polysachariden, en valt te kijken of met de resultaten iets drastisch veranderd kan worden in
bijvoorbeeld de waterzuivering. Ook zou het dan lonen om tijdens dit onderzoek met alle verschillende
sachariden meerdere tests te doen, om vervolgens betere en betrouwbaardere resultaten te
verkrijgen. Als dan ook nog betere materialen gebruikt zouden worden, sommige stappen op een
andere manier uitgevoerd zouden worden en in een sterielere omgeving gewerkt zou worden, zouden
de resultaten met betrekking tot de onderzoeksvraag veel betrouwbaarder worden, omdat dan de
invloeden van het materiaal en van buitenaf, waarop nu geen invloed was, zo veel mogelijk
gereduceerd zouden worden.
De verschillende soorten bacteriën aantonen: door aan het begin van het onderzoek aan te tonen
welke bacteriën zich in het medium bevinden en vervolgens aan te tonen welke bacteriën na het
draaien van de MFC’s zich nog in het medium van de MFC’s bevinden, zou het mogelijk zijn om te laten
zien welke van de bacteriën het best met bepaalde sachariden kunnen functioneren. Hierdoor is een
goed advies uit te schrijven over welke bacteriën het geschiktst zouden zijn voor grootschalige
waterzuivering, omdat de resultaten dan vergeleken kunnen worden met de meest voorkomende
sacharide in afvalwater. Ook zou het zo mogelijk zijn om aan te tonen of één bepaalde soort bacterie
of een bepaalde groep van bacteriën meer of minder vermogen oplevert dan andere soorten
bacteriën. Zo kan ook gekeken worden of bepaalde bacteriën eerder verdrongen worden door andere
soorten dan andere bacteriën.
Ander soortige koolstofbronnen gebruiken: het zou interessant zijn om te zien of dit proces met
behulp van een geheel andere soort koolstofbron, dus geen sacharide, nog steeds functioneert.
Voorbeelden zijn vetten, eiwitten, citroenzuur en ethanol. Als dit het geval is zou weer gekeken kunnen
worden naar welke bacteriën dit veroorzaken en hoe dit gebeurt. Hierdoor kan goed geadviseerd
worden aan waterzuiveringsinstallaties, door de koolstofbronnen in afvalwater te vergelijken met de
door bacteriën gebruikte koolstofbronnen. Als dit niet het geval is, of de opbrengsten te gering zijn,
zou het interessant kunnen zijn om uit te vinden waarom dit precies niet het geval is.
Andere oxidatoren: door andere oxidatoren te gebruiken naast aangezuurd kaliumpermanganaat, is
het mogelijk om te kijken of een van de oxidatoren beter werkt dan een andere. Ook zou het zo
mogelijk zijn vast te stellen of het aanzuren van de oxidator invloed heeft op de resultaten van de MFC.
Door een aantal verschillende aangezuurde oxidatoren te gebruiken en vervolgens een aantal niet
aangezuurde oxidatoren te gebruiken zou het mogelijk moeten zijn om uit de resultaten op te maken
of er enige invloed is van de oxidatoren op de leefbaarheid en de functionaliteit van de bacteriën in de
MFC’s. Ook kan door te zoeken naar een oxidator die goed werkt en eventueel goedkoop is, gekeken
worden naar de mogelijkheid voor grootschalig energie opwekken met MFC’s.
Ditzelfde onderzoek met maar één soort bacterie en alleen de sachariden als variabele: door alleen
de sachariden als variabele te nemen en in elk medium telkens één soort bacterie te doen, valt precies
te zien op welke sachariden bepaalde bacteriën goed functioneren, minder goed functioneren of zelfs
niet functioneren. Zo zijn de hoeveelheden van de toegevoegde bacteriën ook heel goed te bepalen.
Als dit met verschillende soorten bacteriën herhaald wordt, kan tussen deze bacteriën ook een
onderscheid gemaakt worden. Ook kan per bacteriesoort heel duidelijk het verschil in vermogen
gemeten worden. Verder kan gekeken worden naar precieze combinaties van bacteriën. Dit zijn echter
heel veel metingen om te doen; hiervoor is een handig systeem nodig. Een voorbeeld van zo’n systeem
zijn micro-MFC’s. Deze zijn veel kleiner en hiermee kunnen met weinig grondstoffen veel metingen
gedaan worden.
Glucose en fructose: uitzoeken waarom glucose een beter resultaat levert dan fructose. In de
hypothese is onderbouwd waarom fructose een beter resultaat zou moeten opleveren dan glucose.
72
MFC’s: batterijen van bacteriën
Door het nog vaker te testen kan gekeken worden of glucose echt een beter resultaat oplevert dan
fructose. Als dit echt het geval is, kan ook onderzocht worden waarom dit het geval is.
Onderzoeken waarom de OCV-waardes zo sterk verschilden: in dit onderzoek zijn bij dezelfde test
(gewone en duplotest) verschillende OCV-waardes bepaald. Volgens de theorie zouden dit ongeveer
dezelfde waardes moeten zijn. Dit kan een meetfout zijn in dit onderzoek, maar eventueel kan in dit
onderzoek ook een extra energieverlies zijn aangetoond. Het is interessant om uit te zoeken of dit
extra energieverlies werkelijk bestaat, en als dit het geval is, waarvan dit verlies dan afhangt.
Afvalwater: door heel precies te onderzoeken en aan te tonen wat in afvalwater zit, is het mogelijk om
dichter bij de realiteit te blijven bij het maken van het recept voor het synthetische afvalwater. Deze
gegevens kunnen worden gebruikt om specifieker onderzoek te doen naar de vraag of een MFC op
grote schaal met de aanwezige stoffen in afvalwater echt zou kunnen functioneren.
73
MFC’s: batterijen van bacteriën
9. Nawoord
Tijdens dit onderzoek hebben wij enorm veel geleerd: hoe je goed steriel kunt werken, een heleboel
theorie, hoe je goed een wetenschappelijk verslag schrijft, en vooral om door te zetten. Tijdens het
onderzoek zijn wij namelijk tegen heel veel ‘hobbeltjes op de weg’ aangelopen (zoals wij het van onze
eerste begeleider moeten noemen): er bleken spullen niet op school aanwezig te zien, die ook niet
makkelijk bij de universiteit geregeld konden worden, grootse onderzoeksplannen moesten worden
verworpen i.v.m. de tijd die we hiervoor nodig zouden hebben, bacteriën leken eerst niet goed te
groeien, resultaten leken heel gek te zijn en konden niet makkelijk met één verklaring worden
verklaard. Toch hebben wij zo hard mogelijk doorgezet en er uiteindelijk toch een heel leuk onderzoek
van gemaakt.
Het doen van echt onderzoek was heel leuk: we waren bezig met iets dat echt nog nooit gedaan was
op school, en we waren bezig met dingen waarvan wij en vele anderen daarvoor niets afwisten, en die
we nog nooit hadden gedaan. Zo hebben we eindelijk een keertje met vloeibaar stikstof mogen
werken.
Dat het zo leuk was, maakte het ook makkelijk om er veel tijd in te steken. Vaak genoeg zaten we al
om half negen in het practicumlokaal en waren we (met af en toe een les tussendoor) tot half vijf bezig.
Ons record staat op 8:30 aanwezig en 18:15 uit de school vertrekken, met veertig minuten les
tussendoor. Zoals onze tweede begeleider Mario Cioffi tegen ons zei: ‘Hebben jullie echt geen leven of
zo?’ Beste Mario, tijdens het doen van dit onderzoek hadden we dat even niet.
Zonder de mensen die ons geholpen hadden, was dit project niet zo leerzaam, uitdagend en
interessant geworden als het nu is. Speciale dank gaat uit naar onze begeleiders, Michel Romeijn en
Mario Cioffi, en naar Tom Sleutels van Wetsus. Zonder alle vragen die we hun op de onmogelijkste
tijdstippen mochten stellen en de steun die we van hen hebben gekregen, waren we nooit zo ver
gekomen in dit onderzoek. Nog heel erg bedankt allemaal!
De auteurs,
Floran Brinkman (e-mail: [email protected]; tel: 06-18668898)
Ezra Bekkering (e-mail: [email protected]; tel: 06-42855688)
74
MFC’s: batterijen van bacteriën
Bronnen
1. Improving the Cathode of a Microbial fuel Cell for efficient electricity production (thesis). Annemiek
ter Heijne. 2010.
2. Chemie Overal. sl : Noordhoff.
3. Onne van Buuren en Marten van der Lee. Elektriciteit en automatisering in huis. sl : NiNa, 2012.
4. J. Reece et al. Campbell. sl : Pearson, 2011.
5. Stuart Hogg. Essential Microbiology, second edition. sl : Wiley, 2005.
6. Kyra Defourny et al. Studiebundel: Micro en meer, biologie olympiade tweede ronde. 2016.
7. Microbial Fuel Cells: Methodology and Technology. Bruce Logan et al. 2006.
8. Methylene blue as electron promoters in microbial fuel cells. M. Rahimnejad et al. 2010.
9. Yinyue Yan. Volume 2: clean energy conversion technologies. Handbook of clean energy
systems. 2015.
10. Green electricity production with living plants and bacteria in a fuel cell. David Strik et al. 2008.
11. Towards practical implementation of bioelectrochemical wastewater treatment. René Rozendal
et al. 2008.
12. Thermodynamics: Gibbs free energy. Department of Chemistry at Texas A&M university.
[Online] [Citaat van: 24 11 2016.]
https://www.chem.tamu.edu/class/majors/tutorialnotefiles/gibbs.htm.
13. Carbohydrate Molecules. [Online] Boundless. [Citaat van: 27 11 2016.]
https://www.boundless.com/biology/textbooks/boundless-biology-textbook/biologicalmacromolecules-3/carbohydrates-54/carbohydrate-molecules-296-11429/.
14. Robert Alberty. Thermodynamics of biochemical reactions. 2003.
15. NVON-commisie. BiNaS (havo/vwo). sl : Noordhoff.
16. Wastewater Treatment Methods & Disposal. SunSUrfs Solar USA Inc. [Online] [Citaat van: 12 12
2016.]
https://www.solarstore.co/assets/images/Docs/pdf/Chemically%20_Physically_Cleaning_Water1.
pdf.
17. Waterzuivering Noorderzijlvest. Concentratie en vrachten in de waterlijn v201z0923 incl
belasting. 2016.
18. David R. Nielsen. www.openwetware.org. [Online] [Citaat van: 16 11 2016.]
openwetware.org/images/2/2c/Preparing_pre-reduced_media.doc.
19. Treating sick aquarium fish with dips and baths. Al Gone. [Online] [Citaat van: 11 12 2016.]
http://www.algone.com/aquarium-fish-dips-and-baths.
75
Tabel 1: Concentraties organische stoffen RWZI Noorderzijlvest
Dit zijn alle concentraties in mg/L van organische stoffen verkregen bij het RWZI Noorderzijlvest door elke maand twee
monsterproefen te nemen over een tijdsbestek van 240 dagen. Deze informatie is in het praktische onderzoek niet
gebruikt, hiervoor is uiteindelijk een ander recept gemaakt. Op de volgende pagina van deze bijlage is het vervolg van
dezelfde tabel te zien.
MFC’s: batterijen van bacteriën
Bijlage 1
76
Tabel 2: Concentraties organische stoffen RWZI Noorderzijlvest (vervolg)
MFC’s: batterijen van bacteriën
77
MFC’s: batterijen van bacteriën
Bijlage 2
In deze bijlage zullen foto’s worden getoond van het proces. Het is opgedeeld in dezelfde kopjes waarin
Materiaal en Methode ook in is opgedeeld, met uitzondering van Het beginproces, waar foto’s worden
getoond van het begin van het onderzoek, waarin eerst wat dingen werden uitgeprobeerd.
Het beginproces
gewikkeld.
Foto 2: De eerste
gemeten waarde
Dit was de eerste
gemeten waarde
uit de sedimenMFC gemaakt met
aarde. De
multimeter geeft
een waarde van
0,1629 V aan.
Foto 1: de eerste MFC
Dit is de eerste heel globale sediment-MFC:
door middenin de aarde de anode te leggen en
bovenop (in contact met zuurstof) de kathode,
ontstond er een elektrische stroom.
Foto 4: alle elektrodes reinigen
Foto 3: Water met een elektrode
Op deze foto is te zien wat er gebeurde
toen alle elektrodes werden gereinigd met
water: er ontstond in elk bekerglas in
verschillende hoeveelheden roest.
Hier is een bekerglas te zien waar enige tijd
een elektrode in heeft gehangen. Zoals te zien
is de vloeistof roodbruin geworden,
waarschijnlijk door roest van het schroefje op
de elektrode.
Foto 5: Een elektrode met één laag parafilm
Foto 6: De elektrode met parafilm na een aantal
dagen in water
Om te voorkomen dat het schroefje zou
gaan roesten, is hier één laagje parafilm om
de elektrode aangebracht.
De elektrode die was ingewikkeld met
parafilm, heeft hier een aantal dagen in het
water gehangen.Er bleek toch nog roest
aanwezig te zijn in het water. Ook is te zien
dat één laag parafilm weinig effect heeft .
78
MFC’s: batterijen van bacteriën
Bacteriën opkweken
Foto 4: het basis-medium
met zuurstof
Hiernaast is het
basismedium te zien
zonder de zuurstofbewerkingen, hier is
het nog duidelijk
legergroen. Later zal
het steeds geler
worden, als de
zuurstof eruit gaat.
Foto 3: Het vullen van de tank met vloeibaar stikstof
Hier wordt de tank gevuld met vloeibaar
stikstof, in het gebouw van de RUG, faculteit
wiskunde en natuurwetenschappen.
Foto 9: Het roeren van het medium
Bij het maken van het basismedium moest
dit roerend verwarmd worden. Hier is te
zien hoe Ezra het medium met een roerstaaf
aan het roeren is, in een warmwaterbad.
Foto 10: Vloeibaar stikstof door het medium pompen
Hier is te zien hoe door een rubberen slang het
(in een kartonnen bekertje gegoten) stikstof in
het medium gepompt wordt om het medium zo
anaeroob mogelijk te krijgen.
Foto 5: Het verzamelen van bacteriën
Op de foto is te zien hoe Floran een monster
grachtwater neemt om de bacteriën te
verzamelen.
79
MFC’s: batterijen van bacteriën
MFC-onderdelen voorbereiden
Foto 7: zijaanzicht van de MFC
Foto 6: De zoutbruggen
Op deze foto valt het zijaanzicht van de MFC te
zien. Het linker glas is de kathode-kamer, de
rechterkant is de anode-kamer. Dit wordt
verbonden met de zoutbrug. In de anode-kamer
is ook het uiteinde van het slangetje te zien.
Op deze foto valt de opstelling te zien,
waar de zoutbruggen in geklemd moesten
worden, voordat ze gegoten konden
worden.
Foto 14: Zijaanzicht van de anode
Op deze foto is de zijkant van de anodekamer te zien. Hier is duidelijk het spuitje te
zien waar eventueel stoffen mee konden
worden toegevoegd. Ook is de duct-tape te
zien waarmee de zwanenhals is vastgeplakt.
Foto 15: Bovenaanzicht van de MFC
Hier is een bovenaanzicht van een MFC te zien.
Op deze foto is duidelijk het ijzerdraad te zien
waar de anode-elektrode wordt vastgehouden.
Ook is het parafilm over de anode heen te zien.
80
MFC’s: batterijen van bacteriën
MFC-elektrolyten voorbereiden
Foto 87: Een deel van het medium met methyleenblauw
Foto 96: Bruinsteen
Hier is het medium te zien dat in alle MFC’s
gebruikt is. Er is een blauwe draaikolk van
methyleenblauw te zien. Deze stof geeft het
medium een blauwe kleur, zolang het aeroob is.
In de tekst wordt gesproken over het ontstane
bruinsteen. Dit is een bekerglas met veel
aangeslagen bruinsteen op de randen, de
oplossing zelf was namelijk doorzichtig
geworden!
Foto 118: De flessen met een liter medium in de
incubator
Hier zijn alle media voor de MFC’s met
verschillende sachariden te zien, terwijl ze in
de incubator staan. Ze hebben hier een hele
nacht in gestaan , in het begin op 100 graden
Celcius en vervolgens verder afkoelend.
Foto 109: Bacteriën
Op deze foto’s zijn een paar bacteriën te zien,
waarvan sommigen onder de microscoop zelfs
bewogen! Deze zijn bekeken onder een
lichtmicroscoop en hiervan is een foto gemaakt,
waardoor de kwaliteit van deze foto niet
optimaal is. Het rondje geeft één van deze
bewegende bacteriën aan.
81
MFC’s: batterijen van bacteriën
MFC’s in elkaar zetten
Foto 120: De eerste opstellingen van de MFC's
Foto 21: Vooraanzicht gevulde MFC
Hier zijn de MFC’s te zien toen ze voor het
eerst op deze manier bij elkaar gezet
waren. De anode en kathode van de MFC’s
zijn hier nog niet verbonden, dit is pas later
gebeurd toen ze op de goede plek stonden.
Op dit vooraanzicht valt een gevulde MFC
te zien: er zit medium met bacteriën en
sachariden in het linker bekerglas en een
oplossing van kalium-permanganaat in
het rechter bekerglas.
Foto 22: Het aansluiten van de MFC’s
Foto 23: De aangesloten MFC-opstellingen
Op deze foto is het grote moment te zien: de
anode en kathode van de MFC’s werden
aangesloten. Vanaf toen konden de
bacteriën groeien en was de test gestart.
Op deze foto zijn de aangesloten MFC’s
te zien op de plek waar ze tijdens de
rest van het onderzoek hebben gestaan.
82
MFC’s: batterijen van bacteriën
Testen
Foto 25: Het zoeken naar bacteriën
Nadat de testen klaar waren, is een aantal keer
gekeken of er bacteriën aanwezig waren in de
MFC’s. Dit gebeurde met een lichtmicroscoop.
Er zijn ook foto’s gemaakt van de beelden in
deze microscoop, die hier zullen volgen.
Foto 13: Het maken van de potentiaal- en
vermogenscurves
Het maken van deze curves was een
lange cyclus van meten, noteren, de
weerstand vervangen en wachten.
Foto 14: Bacteriën
Op deze foto worden een paar van de
gevonden bacteriën getoond, er zijn een
paar aangegeven met een cirkeltje.
Foto 16: Schimmeldraden
Behalve bacteriën werden ook andere
micro-organismen gevonden in de MFC’s,
een voorbeeld hiervan zijn deze schimmels.
Foto 15: close-up van een bewegende bacterie
Onder de microscoop was te zien dat deze
bacterie bijvoorbeeld flink bewoog.
Foto 17: Groene klompjes
Op deze foto zijn de onbekende groene
klompjes te zien. Het is ons niet bekend wat
dit precies is.
83
MFC’s: batterijen van bacteriën
Bijlage 3
In deze bijlage zullen de onbewerkte resultaten worden getoond.
P,t-diagram
Voor de P,t-diagram is door de tijd heen de spanning over een externe weerstand heen gemeten, dit
is te zien in de volgende tabel.
Bekerglas
1AG
2BG
3AF
4BF
5AL
6BL
7AZ
8BZ
9AS
10BS
11AN
12BN
90,5
0,0941
0,146
0,047
0,0571
0,0855
0,0488
0,249
0,0548
0,1422
0,1602
0,0696
0,1536
117,25
0,101
0,1195
0,025
0,0591
0,0598
0,0986
0,0894
0,0347
0,1216
0,134
0,0597
0,153
119
0,647
0,611
0,77
0,713
0,369
0,517
0,291
0,575
0,639
0,695
0,466
0,68
137
0,447
0,507
0,38
0,125
0,282
0,306
0,25
0,339
0,488
0,149
0,321
0,444
166,5
0,517
0,495
0,41
0,082
0,284
0,13
0,167
0,075
0,174
0,158
0,078
0,227
184,5
0,256
0,282
0,178
0,094
0,116
0,05
0,136
0,014
0,16
0,176
0,046
0,102
188
0,639
0,627
0,654
0,776
0,388
0,551
0,256
0,735
0,772
0,849
0,727
0,766
258
0,516
0,465
0,453
0,241
0,282
0,348
0,152
0,412
0,519
0,254
0,081
0,51
284 R (Ω)
0,511
0,454
0,468
0,127
0,268
0,353
0,142
0,176
0,155
0,193
0,236
0,192
823
825
824
825
825
824
824
824
826
823
825
826
Tabel 3: U,t-tabel. In deze tabel staat de gemeten spanning in volt over een externe weerstand (de waarde van deze
weerstand staat aan de rechterkant van de tabel vermeld) door de tijd in uren heen. Hieruit is vervolgens het vermogen
berekend met formule (3). Dit is in een grafiek gezet, die vermeld wordt in het kopje Resultaten.
Potentiaal- en vermogenscurve
In de tabellen hieronder zullen de metingen die gedaan zijn voor de potentiaal- en vermogenscurves
worden uitgezet (in stukken geknipt i.v.m. de ruimte op de pagina). In de bovenste rij (horizontaal)
staan de nummers van de meting en de waarde van de weerstand. Daaronder staat de verdeling van
de kolommen aangegeven. De daaropvolgende rijen geven de waardes aan voor de verschillende
MFC’s.
Onder de kolom U (V) wordt de gemeten spanning weergegeven. Vervolgens zijn in respectievelijk
kolom I (A) en P (W) de stroom en het vermogen weergegeven. Deze zijn berekend met behulp van
formule (1) en (3).
Weerstand
1AG
2BG
3AF
4BF
5AL
6BL
7AZ
8BZ
9AS
10BS
11AN
12BN
1
12,7
Ω
2
22,8
Ω
3
68,8
Ω
4
149,7 Ω
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
0,015 0,001181 1,77E-05
0,027 0,001184 3,2E-05
0,0744 0,001081 8,05E-05
0,124 0,000828 0,000103
0,013 0,001024 1,33E-05
0,0221 0,000969 2,14E-05
0,0663 0,000964 6,39E-05
0,1333 0,00089 0,000119
0,0128 0,001008 1,29E-05
0,0236 0,001035 2,44E-05
0,069 0,001003 6,92E-05
0,141 0,000942 0,000133
0,0169 0,001331 2,25E-05
0,0287 0,001259 3,61E-05
0,0929 0,00135 0,000125
0,261 0,001743 0,000455
0,0026 0,000205 5,32E-07
0,0045 0,000197 8,88E-07
0,0144 0,000209 3,01E-06
0,0311 0,000208 6,46E-06
0,0057 0,000449 2,56E-06
0,0097 0,000425 4,13E-06
0,0336 0,000488 1,64E-05
0,0641 0,000428 2,74E-05
0,0054 0,000425 2,3E-06
0,007 0,000307 2,15E-06
0,0295 0,000429 1,26E-05
0,0433 0,000289 1,25E-05
0,0186 0,001465 2,72E-05
0,0317 0,00139 4,41E-05
0,1024 0,001488 0,000152
0,1846 0,001233 0,000228
0,017 0,001339 2,28E-05
0,0332 0,001456 4,83E-05
0,0918 0,001334 0,000122
0,1915 0,001279 0,000245
0,004 0,000315 1,26E-06
0,0073 0,00032 2,34E-06
0,022 0,00032 7,03E-06
0,0463 0,000309 1,43E-05
0,013 0,001024 1,33E-05
0,0262 0,001149 3,01E-05
0,0688
0,001 6,88E-05
0,1543 0,001031 0,000159
0,002 0,000157 3,15E-07
0,003 0,000132 3,95E-07
0,0056 8,14E-05 4,56E-07
0,0264 0,000176 4,66E-06
84
MFC’s: batterijen van bacteriën
Weerstand
1AG
2BG
3AF
4BF
5AL
6BL
7AZ
8BZ
9AS
10BS
11AN
12BN
Weerstand
1AG
2BG
3AF
4BF
5AL
6BL
7AZ
8BZ
9AS
10BS
11AN
12BN
Weerstand
1AG
2BG
3AF
4BF
5AL
6BL
7AZ
8BZ
9AS
10BS
11AN
12BN
5
222
Ω
6
563
Ω
7
826
Ω
8
1009 Ω
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
0,214 0,000964 0,000206
0,439 0,00078 0,000342
0,549 0,000665 0,000365
0,627 0,000621 0,00039
0,1875 0,000845 0,000158
0,394
0,0007 0,000276
0,495 0,000599 0,000297
0,564 0,000559 0,000315
0,1943 0,000875 0,00017
0,141 0,00025 3,53E-05
0,496
0,0006 0,000298
0,315 0,000312 9,83E-05
0,278 0,001252 0,000348
0,435 0,000773 0,000336
0,554 0,000671 0,000372
0,61 0,000605 0,000369
0,0413 0,000186 7,68E-06
0,117 0,000208 2,43E-05
0,1966 0,000238 4,68E-05
0,1915 0,00019 3,63E-05
0,103 0,000464 4,78E-05
0,249 0,000442 0,00011
0,299 0,000362 0,000108
0,0628 6,22E-05 3,91E-06
0,0875 0,000394 3,45E-05
0,1443 0,000256 3,7E-05
0,233 0,000282 6,57E-05
0,224 0,000222 4,97E-05
0,294 0,001324 0,000389
0,483 0,000858 0,000414
0,663 0,000803 0,000532
0,771 0,000764 0,000589
0,252 0,001135 0,000286
0,49 0,00087 0,000426
0,593 0,000718 0,000426
0,651 0,000645 0,00042
0,0677 0,000305 2,06E-05
0,1462 0,00026 3,8E-05
0,192 0,000232 4,46E-05
0,228 0,000226 5,15E-05
0,1902 0,000857 0,000163
0,475 0,000844 0,000401
0,514 0,000622 0,00032
0,687 0,000681 0,000468
0,0452 0,000204 9,2E-06
0,1043 0,000185 1,93E-05
0,1151 0,000139 1,6E-05
0,146 0,000145 2,11E-05
9
1206
Ω
10
1807
Ω
11
6840
Ω
12
22100 Ω
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
0,673 0,000558 0,000376
0,789 0,000437 0,000345
0,928 0,000136 0,000126
0,999 4,52E-05 4,52E-05
0,606 0,000502 0,000305
0,705 0,00039 0,000275
0,854 0,000125 0,000107
0,907 4,1E-05 3,72E-05
0,606 0,000502 0,000305
0,715 0,000396 0,000283
0,834 0,000122 0,000102
0,901 4,08E-05 3,67E-05
0,661 0,000548 0,000362
0,746 0,000413 0,000308
0,858 0,000125 0,000108
0,909 4,11E-05 3,74E-05
0,269 0,000223
6E-05
0,621 0,000344 0,000213
0,578 8,45E-05 4,88E-05
0,598 2,71E-05 1,62E-05
0,152 0,000126 1,92E-05
0,14 7,75E-05 1,08E-05
0,323 4,72E-05 1,53E-05
0,207 9,37E-06 1,94E-06
0,306 0,000254 7,76E-05
0,406 0,000225 9,12E-05
0,555 8,11E-05 4,5E-05
0,976 4,42E-05 4,31E-05
0,771 0,000639 0,000493
0,77 0,000426 0,000328
0,93 0,000136 0,000126
0,96 4,34E-05 4,17E-05
0,71 0,000589 0,000418
0,784 0,000434 0,00034
0,977 0,000143 0,00014
1,053 4,76E-05 5,02E-05
0,249 0,000206 5,14E-05
0,291 0,000161 4,69E-05
0,444 6,49E-05 2,88E-05
0,513 2,32E-05 1,19E-05
0,7 0,00058 0,000406
0,854 0,000473 0,000404
1,013 0,000148 0,00015
1,059 4,79E-05 5,07E-05
0,142 0,000118 1,67E-05
0,199 0,00011 2,19E-05
0,285 4,17E-05 1,19E-05
0,359 1,62E-05 5,83E-06
13
270000
Ω
14
1007000
Ω
U (V)
I (A)
P (W)
U (V)
I (A)
P (W)
0,926 3,43E-06 3,18E-06
0,955 9,48E-07 9,06E-07
0,879 3,26E-06 2,86E-06
0,875 8,69E-07 7,6E-07
0,818 3,03E-06 2,48E-06
0,845 8,39E-07 7,09E-07
0,839 3,11E-06 2,61E-06
0,837 8,31E-07 6,96E-07
0,665 2,46E-06 1,64E-06
0,6 5,96E-07 3,57E-07
0,619 2,29E-06 1,42E-06
0,654 6,49E-07 4,25E-07
0,533 1,97E-06 1,05E-06
0,566 5,62E-07 3,18E-07
0,946 3,5E-06 3,31E-06
0,933 9,27E-07 8,64E-07
0,976 3,61E-06 3,53E-06
0,828 8,22E-07 6,81E-07
0,477 1,77E-06 8,43E-07
0,488 4,85E-07 2,36E-07
0,972 3,6E-06 3,5E-06
1 9,93E-07 9,93E-07
0,361 1,34E-06 4,83E-07
0,364 3,61E-07 1,32E-07
Hieronder zullen de onbewerkte grafieken worden weergegeven, waarin dus geen trendlijn is
getekend en ook geen punten zijn weggelaten. Daar is ook duidelijk te zien waarom deze punten zijn
weggelaten: ze wijken erg af van de andere punten.
85
MFC’s: batterijen van bacteriën
86
MFC’s: batterijen van bacteriën
87
MFC’s: batterijen van bacteriën
88