Study on membrane-microbial interactions to understand the biologically-induced fouling of ionic liquid-containing membrane separators used in microbial fuel cells
Membrán-mikroba interakciók vizsgálata mikrobiális üzemanyag cellákban használt ionos folyadék tartalmú membránszeparátorok biológiai eredetű eltömődésének megértésére
Title in English
Study on membrane-microbial interactions to understand the biologically-induced fouling of ionic liquid-containing membrane separators used in microbial fuel cells
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)
60 %
Biophysics (e.g. transport mechanisms, bioenergetics, fluorescence) (Council of Medical and Biological Sciences)
25 %
Ortelius classification: Biophysics
Power Engineering (Council of Physical Sciences)
15 %
Ortelius classification: Renewable energies
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Research Group on Bioengineering, Membrane Technology and Energetics (University of Pannonia)
Participants
Koók, László Rózsenberszki, Tamás Tóth, Gábor
Starting date
2019-12-01
Closing date
2023-11-30
Funding (in million HUF)
39.420
FTE (full time equivalent)
5.13
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatás célja stabil, ionos folyadék-tartalmú membrán (ILM) szeparátorok készítése mikrobiális üzemanyagcellákhoz és ezek biológiai eredetű eltömődésének vizsgálata, megértése az ILM és annak felületén kialakuló biofilm réteg közötti kölcsönhatások vizsgálatán keresztül.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás fő tudományos hipotézise, alapkérdése, hogy ha a mikrobiális üzemanyagcella elektrokémiai hatékonysága, a membrán szeparátor jellemzői és a rajta kialakuló mikrobapopuláció dinamikája közötti összefüggéséket átfogóan vizsgáljuk és értékeljük, akkor lehetséges lesz betekintést, nagyobb fokú megértést adni azon szignifikáns tulajdonságokat illetően, melyek a biológiai-típusú eltömődéssel szemben hatékonyabb/ellenállóbb ionos folyadékos membránok készítését teszik lehetővé mikrobiális elektrokémiai rendszerekhez.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Ha a mikrobiális üzemanyagcellákban használt membránok és mikrobák közötti kapcsolatok ionos folyadékot tartalmazó membránok esetén feltárásra kerülnek és kísérletileg képesek vagyunk a biológiai eredetű membrán eltömődés jelenségét megérteni, akkor a projektben kapott eredményeknek várhatóan jelentős hozzáadott értéke, hatása lehet a szakirodalomra és a bioelektrokémiai rendszerekben zajló kutatásokra, mivel ezen a speciális területen az információk döntően hiányosak.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A mikrobiális üzemanyagcellák olyan biológiai áramforrásoknak tekinthetőek, melyek hulladékból képesek elektromos energiát előállítani. Ahhoz azonban, hogy ezek nagyobb hatékonysággal legyenek kialakíthatók, a rendszert felépítő anyagoknak a további fejlesztésére van szükség. Kiemelten igaz ez az alkalmazott membrán szeparátorokat illetően, melyek fokozottan kitettek az úgynevezett biológiai eredetű eltömődésnek. A jelen kutatás célja új típusú, ionos folyadékkal készített membránok készítése és tanulmányozása, hogy jobban megértsük a membránok tulajdonságai és a rajtuk kialakuló biofilm (eltömődési) réteg közötti kapcsolatokat, kölcsönhatásokat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The aim of the investigation is the preparation of stable, ionic liquid-containing membrane (ILM) separators for microbial fuel cells and the understanding of biofouling on these ILMs by assessing the interactions between the membrane separators and the biofilm layers formed on the surfaces.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main scientific hypothesis of the research is that if the relationship of MFC (electrochemical) efficiency, membrane features and population dynamics of the biofilm layer on the membrane is comprehensively evaluated, then it will be possible to give insights about the significance of membrane properties for developing ionic liquid membranes with better control of biofouling in microbial electrochemical technologies.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. If the membrane-microbial interactions are revealed for particular ionic liquid-containing membranes (ILMs) applicable in MFCs and a “proof-of-concept” is demonstrated towards the understanding of biofouling using ILMs, the results delivered from the project are expected to make a notable contribution of knowledge to the literature, where there is currently a lack of information relevant to these systems.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. The microbial fuel cells (MFCs) are considered as biological power sources enabling the generation of electrical energy from the utilization of wastes. However, additional improvements are required to make MFCs competitive such as because of the existing architectural issues related with the applied membrane separators, which are prone to biological fouling. This research will develop and examine new membranes for MFC by employing ionic liquids and evalute the interactions of these membranes and microbes in the biofilm layer to understand the biofouling phenomena in bioelectrochemical systems such as MFCs.
Final report
Results in Hungarian
Ebben a projektben a támasztóréteges ionos folyadékos (SILM) és egyéb polimer membránok mikrobiális üzemanyag cellában (MFC) való felhasználásának lehetőségei, jelen helyzete és kihívásai kerültek górcső alá, vizsgálva többek között a SILM készítésének megfelelő módszereit. Átfogó kutatás módszertani megközelítést kidolgozva vizsgáltuk a különböző ionos folyadékokkal készült membránok viselkedését és alkalmazhatóságát MFC-ban. Ennek keretében imidazólium-típusú ionos folyadékokat tartalmazó membránokat teszteltünk MFC-ban, kitérve azok fizikai-kémiai tulajdonságainak a rendszer stabilitására és teljesítményére vonatkozóan gyakorolt hatásának részletes elemzésére, különös tekintettel a membrán biológiai eltömődését illetően. A kutatás eredményeként új-típusú, poliéterszulfon (PES) fizikai támasztórétegen immobilizált, mikrokristályos cellulózból és [bmim][Cl] ionos folyadékból készült membránt szintetizáltunk majd használtunk fel MFC működtetéséhez. Több hetes kísérletek tanulsága szerint a cellulóz/[bmim][Cl]/PES membránon jelentős biológiai eltömődés volt tapasztalható. Eme biológiai eltömődési réteget mikrobiológiai szempontból vizsgálva megállapítottuk, hogy a membrán felszínén >23 % relatív abundanciával egy cellulóz-bontásra képes mikroba, Clostridium termitidis telepedett meg. Ennek szerepe lehetetett a membrán degradációjában és a MFC katódterét/katódját érintő mikrobális elárasztás jelenségének kialakulásában.
Results in English
In this project, the opportunities, status and challenges of supported ionic liquid membranes (SILMs) and other membrane separators for microbial fuel cells (MFC) have been highlighted and investigation was carried out to establish the proper fabrication methods for SILMs installed into MFC. A comprehensive research methodology was deployed to approach and evaluate the behavior and performance of membranes prepared with different ionic liquids. Accordingly, it was aimed to test membranes containing imidazolium-type ionic liquids in MFC and see how their properties and stability could influence the process efficiency, by keeping an eye on the membrane biofouling aspects. As a result, a novel membrane was prepared on polyethersulfone (PES) physical support from the mixture of microcrystalline cellulose and [bmim][Cl] ionic liquid and used subsequently in MFC. Through several weeks of experimentation, severe biofouling was observed on the cellulose/[bmim][Cl]/PES membrane and our assessment showed that the cellulose-degrading species, Clostridium termitidis was present with a notably high (>23 %) relative abundance on the surface of the membrane, which may have caused its deterioration and the consequent colonization of the cathodic compartment of the MFC.
