Forskere ved Binghamton University har utviklet en ny type bakteriedrevet biobatteri inspirert av de fingerformede tarmtottene, kalt villi, som dekker innsiden av tynntarmen. I tester produserte batteriet over åtte ganger mer elektrisitet per volumenhet enn et sammenlignbart flatt design.

Teknologien er en såkalt mikrobiell brenselcelle, eller MFC. Den bruker levende mikroorganismer til å omdanne kjemisk energi i organisk materiale til elektrisitet. Forskerne kopierte formen, materialene og noen av egenskapene til tarmtottene for å gi bakteriene større overflate å vokse på, samtidig som næringsstoffer kan bevege seg inn og avfallsstoffer ut.

Slik virker bakteriebatteriet

Enkelte bakterier bryter naturlig ned organiske forbindelser som en del av stoffskiftet sitt. I prosessen frigjør de elektroner. I en mikrobiell brenselcelle samles elektronene opp av en anode og sendes gjennom en ytre krets til en katode. Det skaper elektrisk strøm.

Samtidig beveger elektrisk ladede ioner seg gjennom en elektrolytt, vanligvis en væske med oppløste salter og andre ioner. Dette bidrar til å fullføre de elektrokjemiske reaksjonene. Så lenge bakteriene er aktive og har tilgang på egnede næringsstoffer, kan systemet fortsette å produsere elektrisitet.

Mikrobielle brenselceller har vært undersøkt til bruk i blant annet avløpsrensing, miljøovervåking og strømforsyning til små elektroniske enheter. Enkelte forsøksanlegg har også brukt bakterier som bryter ned urin, til å drive LED-belysning. Teknologien er likevel i hovedsak begrenset til forskning, pilotanlegg og spesialiserte bruksområder fordi den elektriske effekten er lav.

Flate elektroder gir bakteriene for lite plass

En av utfordringene er å utvikle elektroder som gir bakteriene nok plass til å vokse, uten at næringstilførselen hindres eller avfallsstoffer blir fanget. Vanlige flate elektroder har et begrenset overflateareal for bakteriekolonier, noe som begrenser hvor mye elektrisitet de kan produsere.

Forskere har forsøkt å løse problemet med porøse materialer, blant annet papir, tekstiler og spesialutviklede polymerer. Porene gir flere overflater der bakteriene kan etablere seg. Når mikroorganismene formerer seg, danner de imidlertid klebrige samfunn som kalles biofilm. Disse kan gradvis tette porene, redusere tilførselen av næringsstoffer, holde på metabolsk avfall og føre til ujevn bakterievekst.

«Porous structures can be easily clogged by biofilm formation, so we had a lot of problems with nutrient delivery, waste buildup, or uneven biofilm growth,» sier professor Seokheun Choi, som leder Binghamton-universitetets Bioelectronics and Microsystems Lab.

«What we need is a bioelectrode that mimics living tissue, so that we provide a large surface area and short diffusion distance, efficient mass transport, and at the same time mechanically flexible, stretchable, and scalable.»

Forskerne fant en mulig løsning i menneskets tynntarm. Tarmveggen er dekket av millioner av små, fingerformede utvekster som øker overflaten for opptak av næringsstoffer. Formen gjør det også mulig for næringsstoffer å bevege seg rundt utvekstene, mens det vannrike miljøet legger til rette for biologisk aktivitet.

Kunstige tarmtotter av hydrogel

Teamet utviklet derfor fleksible, elektrisk ledende, fingerformede søyler som ligner tarmtotter. Søylene ble dekket med en hydrogel bestående av polyvinylalkohol, den ledende polymeren PEDOT og redusert grafenoksid. Materialet er mykt, holder på vann og kan lede elektrisitet.

Forskerne bygget inn hvilende sporer fra Bacillus subtilis i de kunstige tarmtottene. Bakterien kan overføre elektroner fra cellene sine til omgivelsene. Når sporene utsettes for en egnet næringsløsning, spirer de til metabolsk aktive bakterier som begynner å produsere elektrisitet.

De kunstige tarmtottene ble deretter satt inn i en komplett mikrobiell brenselcelle. Hydrogelen med bakteriene fungerte som anode, mens en modifisert katode av karbonstoff ble plassert på den andre siden. En ionebyttemembran skilte anoden og katoden, samtidig som den tillot ioner å bevege seg gjennom systemet.

Den næringsholdige væsken fungerte også som elektrolytt. Den ga bakteriene næring og gjorde det mulig for ionene å bevege seg. For å finne den mest effektive utformingen produserte og testet forskerne 24 varianter med ulik høyde og radius på søylene.

Produserte 66,45 mikrowatt per kubikkcentimeter

Resultatene, som er publisert i tidsskriftet Small, viste en volumetrisk effekttetthet på 66,45 mikrowatt per kubikkcentimeter (µW/cm³) for designet inspirert av tarmtotter. Den konvensjonelle flate elektroden oppnådde 8,04 µW/cm³ under forhold der volumet var holdt likt.

Det tilsvarer en forbedring på 8,3 ganger sammenlignet med forskernes flate design. Tallet gjelder altså denne konkrete sammenligningen, ikke alle eksisterende mikrobielle brenselceller.

Den beste enkeltstående fingerformede søylen hadde en maksimal effekt på 8,35 mikrowatt. Hele enheten holdt en spenning på rundt 0,75 volt i minst 14 timer ved kontinuerlig tilførsel av næringsstoffer.

En mikrowatt er en milliondel av en watt. Selv den forbedrede utformingen har derfor ikke i nærheten av nok effekt til å drive vanlig forbrukerelektronikk.

Kan brukes til miljøsensorer i avløpsrør

Forskerne mener likevel at teknologien kan være interessant for selvforsynt miljøovervåking, særlig inne i avløpsrør. Avløpsvann inneholder organisk materiale som bakterier kan bryte ned. Det kan i prinsippet gi sensorer i rørene nok strøm til å overvåke miljøforhold mens avløpsvannet strømmer forbi.

De fleksible hydrogel-lappene kan tilpasses de buede veggene i rørene og levere små mengder strøm. Teamet demonstrerte konseptet ved å bruke en næringsløsning som etterlignet avløpsvann, i et simulert rørsystem.

Teknologien kan også skaleres ved å lage større lapper eller koble sammen flere biobatterier. Større størrelse gir imidlertid ikke nødvendigvis en tilsvarende økning i elektrisk effekt. Fordeling av næringsstoffer, indre motstand og andre forhold kan påvirke ytelsen.

Forskerne arbeider nå med en skalerbar prosess for produksjon i ett trinn. De ønsker også å forbedre hvor nøyaktig de kunstige tarmtottene gjenskaper de fysiologiske og kjemiske forholdene i tarmen.