Nöbetçi Eczaneler
İnsan vücudunun her gün ürettiği idrar, kanalizasyona karışıp atık suyun bir parçası haline geliyor. Oysa idrarın içinde azot, fosfor, potasyum, üre ve çeşitli organik maddeler bulunuyor. Bu bileşim, onu biyolojik ve elektrokimyasal sistemler açısından ilginç bir hammaddeye dönüştürüyor.
Bilim insanları özellikle mikrobiyal yakıt hücreleri (Microbial Fuel Cells – MFC) üzerinde çalışarak idrardan elektrik üretmeyi başardı. Bu sistemlerde bakteriler idrardaki organik maddeleri parçalayarak elektron açığa çıkarıyor. Elektronların bir elektrik devresinden geçirilmesiyle akım elde ediliyor.
Araştırmalar ilerledikçe konu elektrik üretiminin ötesine geçti. Aynı sistemler fosfor, azot ve diğer besin maddelerinin geri kazanılması, suyun arıtılması ve bazı durumlarda hidrojen üretilmesi için de kullanılmaya başladı.
İdrarın Elektrik Üretimine Uygun Özellikleri
İdrarın MFC sistemlerinde kullanılmasının temelinde kimyasal bileşimi bulunuyor. İdrar, yüksek oranda su içerse de çözünmüş halde çeşitli organik ve inorganik maddeler taşıyor. Özellikle üre ve diğer organik bileşikler, mikroorganizmaların gerçekleştirdiği biyolojik reaksiyonlar için enerji kaynağı oluşturabiliyor.
İdrarın iletkenliği de elektrokimyasal sistemler açısından önem taşıyor. İçerdiği çözünmüş iyonlar elektrik yüklerinin hareketini kolaylaştırıyor.
2020 yılında Santoro ve arkadaşlarının ChemElectroChem dergisinde yayımladığı “Urine in Bioelectrochemical Systems: An Overall Review” başlıklı değerlendirme, insan idrarının biyoyakıt hücreleri ve diğer biyoelektrokimyasal sistemler için hem elektrolit hem de organik substrat olarak kullanılabildiğini ortaya koyan çalışmaları bir araya getirdi.
Bakteriler Elektronu Nasıl Elektriğe Dönüştürüyor?
Mikrobiyal yakıt hücresinin merkezinde elektroaktif bakteriler bulunuyor. Bu mikroorganizmalar organik maddeleri parçalayarak enerji elde ederken elektron açığa çıkarıyor.
MFC’nin anot bölümünde bulunan bakteriler, elektronlarını elektroda aktarabiliyor. Elektronlar daha sonra dış devrede ilerleyerek elektrik akımı oluşturuyor. Protonlar ve diğer iyonlar ise hücrenin elektrokimyasal dengesinin korunmasına katkıda bulunuyor.
2022 yılında Sharma ve arkadaşlarının Chemosphere dergisinde yayımladığı “Bioelectricity generation from human urine and simultaneous nutrient recovery: Role of Microbial Fuel Cells” başlıklı derleme, idrarla çalışan MFC’lerde bu biyolojik süreç ile elektrik üretiminin aynı sistem içinde gerçekleşebildiğini ve besin maddelerinin de geri kazanılabildiğini ortaya koydu.
Bu nedenle ortaya çıkan elektrik, idrarın doğrudan elektrik enerjisine çevrilmesinden çok, idrardaki kimyasal enerjinin mikroorganizmalar aracılığıyla elektrik akımına dönüştürülmesiyle elde ediliyor.
İdrar Yakıt Hücrelerinde İlk Gelişmeler
İdrarın MFC’lerde doğrudan yakıt olarak kullanılmasına ilişkin önemli dönüm noktalarından biri Bristol Robotics Laboratory ekibinin çalışmaları oldu.
Ioannis Ieropoulos, John Greenman ve Chris Melhuish tarafından yürütülen araştırma 2011’de yayımlandı ve 2012 yılında Physical Chemistry Chemical Physics dergisinde yer aldı. Çalışma, idrarın MFC içinde doğrudan elektrik üretiminde kullanılmasını gösteren ilk araştırma olarak sunuldu. Araştırmacılar farklı miktarlardaki idrarın sisteme verilmesiyle enerji üretimini ve dönüşüm verimlerini inceledi.
Çalışmanın önemli taraflarından biri, idrarın bir atık akışından enerji üretiminde kullanılabileceğini deneysel olarak göstermesiydi. Aynı araştırmada azot, fosfor ve potasyum gibi elementlerin biyokütle içinde tutulabildiği de gözlendi.
MFC Hücrelerini Birbirine Bağlamak
Tek bir mikrobiyal yakıt hücresinin ürettiği elektrik miktarı oldukça düşük olduğu için sonraki araştırmaların önemli bir bölümü hücrelerin istiflenmesi ve birlikte çalıştırılması üzerine yoğunlaştı.
Birden fazla MFC’nin seri veya paralel şekilde bağlanmasıyla daha yüksek gerilim veya akım elde edilebiliyor. Böylece laboratuvar ölçeğindeki küçük hücrelerden daha büyük sistemlere geçiş için mühendislik altyapısı oluşturuluyor.
İdrarın MFC teknolojisiyle değerlendirilmesindeki temel hedeflerden biri de burada ortaya çıkıyor: tek bir hücrenin ürettiği küçük elektrik çıktısını, çok sayıda hücre ve sürekli besleme sayesinde kullanılabilir bir enerji kaynağına dönüştürmek.
Bristol’den Glastonbury’ye: İdrarla Çalışan Tuvaletler
Laboratuvar deneylerinden sonra araştırmacılar teknolojiyi gerçek kullanım ortamlarına taşımaya başladı.
2015 yılında Bristol’deki University of the West of England kampüsünde bir Pee Power sistemi denendi. Aynı yıl Glastonbury Festivali’nde de binlerce kişinin kullandığı bir tuvalet tesisinde MFC teknolojisi uygulandı.
2016 yılında Environmental Science: Water Research & Technology dergisinde yayımlanan “Pee power urinal – microbial fuel cell technology field trials in the context of sanitation” başlıklı çalışmada bu saha deneylerinin sonuçları ayrıntılı biçimde aktarıldı.
Glastonbury’de 432 MFC ile Deney
Glastonbury’deki sistem 432 MFC içeriyordu ve yaklaşık 300 litrelik çalışma hacmine sahipti. Tesis günde yaklaşık 825–1000 kullanıcı tarafından kullanılıyordu.
Sistem ortalama 300 mW, maksimum yaklaşık 400 mW elektrik üretirken, ışıkların doğrudan bağlandığı durumda 800 mW seviyesine ulaşabildi. Altı LED modülünün toplam tüketimi 1,8 W olarak ölçüldü. Elektriğin düzenli hale getirilmesi için süperkapasitörler de kullanıldı.
Kampüsteki 288 MFC’lik sistemde ortalama güç 75 mW, maksimum güç 160 mW olarak ölçüldü. Doğrudan aydınlatmada 400 mW seviyesine ulaşıldı. Tek tek MFC’lerin elektrik üretimi ise yaklaşık 1–2 mW düzeyindeydi.
Bu deneyler, idrarın elektrik üretiminde kullanılmasının laboratuvar ortamından çıkıp gerçek bir tuvalet sisteminde uygulanabileceğini gösterdi.
Daha Az Hacimle Daha Fazla Elektrik
Saha deneyleri, sistemlerin büyütülmesiyle birlikte başka bir mühendislik sorununu da ortaya çıkardı: Daha fazla elektrik üretmek için her zaman daha büyük tesisler kurmak gerekmiyordu. Hücrelerin tasarımı, elektrotların yerleşimi, akış koşulları ve enerji yönetimi de sonuç üzerinde büyük etkiye sahipti.
Bu nedenle sonraki araştırmalar MFC’lerin güç yoğunluğunu artırmaya yöneldi.
2016 Sonrasında Yedi Katlık Teknolojik İyileşme
Pee Power çalışmalarının sonraki aşamalarında kendi içinde tabakalaşan, membransız MFC tasarımları geliştirildi. Hücrelerin daha küçük hacimlerde daha etkili çalışması hedeflendi.
Bu yaklaşım, 2016 Glastonbury sisteminin önceki tasarıma göre daha küçük bir ayak iziyle daha yüksek enerji üretmesini sağladı. Araştırmalar ilerledikçe enerji üretiminden çok güç yoğunluğu ve sistemin kapladığı alan başına elde edilen çıktı önem kazandı.
Böylece idrarla çalışan MFC teknolojisi, büyük hacimli tanklardan daha kompakt ve modüler sistemlere doğru ilerledi.
Elektrik Üretiminde Elektrotların Rolü
MFC’nin performansını belirleyen temel unsurlardan biri bakterilerin yaşadığı ve elektronlarını aktardığı anot yüzeyidir.
Elektrotun yüzey alanı büyüdükçe daha fazla mikroorganizmanın yüzeye tutunması mümkün hale gelebilir. Elektrotun iletkenliği ve gözenekli yapısı da elektron transferini etkiler.
Demir-Nikel Köpükle Güç Yoğunluğu Artışı
2023 yılında Ankarjan Arkin, Zifu Li ve Xiaoqin Zhou tarafından Electrochimica Acta dergisinde yayımlanan bir çalışmada, gözenekli karbonla modifiye edilmiş demir-nikel köpükten oluşan yeni bir anot tasarımı test edildi.
Sentetik idrar kullanılan deneyde güç yoğunluğu 524,93 mW/m² seviyesine ulaşırken, seyreltilmemiş insan idrarı kullanıldığında 1.720,1 mW/m² değerine çıktı. Sistem 288 saatlik deney boyunca kararlı güç üretimi gösterdi.
Buradaki mW/m² birimi, belirli bir elektrot yüzey alanına düşen güç yoğunluğunu ifade ediyor. Çalışmanın amacı, elektrot yüzeyini mikroorganizmalar için daha uygun hale getirerek elektron transferini ve enerji üretimini artırmaktı.
Bu sonuç, araştırmaların artık “idrardan elektrik üretilebilir mi?” sorusundan çıkıp “aynı sistemden daha yüksek güç nasıl elde edilir?” sorusuna yöneldiğini gösteriyor.
İdrarın Elektrik Dışındaki Değeri
İdrarın enerji açısından değerlendirilmesinin önemli taraflarından biri, sistemin aynı anda farklı kaynakları geri kazanabilmesidir.
İdrarda bulunan azot, fosfor ve potasyum tarım açısından değerli besin maddeleridir. Bu maddelerin kanalizasyon sisteminde seyrelmesi yerine ayrı olarak toplanması, geri kazanılmalarını kolaylaştırabilir.
Fosforun Struvit Olarak Geri Kazanılması
İdrardaki fosforun geri kazanılmasında kullanılan yöntemlerden biri struvit kristallerinin oluşturulmasıdır.
Struvit, magnezyum, amonyum ve fosfat içeren bir mineraldir. Uygun koşullarda kristalleştirilerek idrardaki fosfor ve azotun bir bölümü katı halde geri kazanılabilir.
MFC sistemlerinde elektrik üretimi ile besin maddelerinin geri kazanılması aynı proses içinde birleştirilebiliyor. Bu nedenle araştırmalar giderek enerji üretimi, su arıtımı ve gübre hammaddesi elde edilmesini birlikte ele alan sistemlere yöneliyor.
Azotun Geri Kazanılması
İdrarın en dikkat çekici bileşenlerinden biri azot. Ürenin parçalanmasıyla amonyum ve amonyak içeren bileşikler oluşuyor. Bunlar uygun elektrokimyasal sistemlerle tutulup gübre üretiminde kullanılabilecek hammaddelere dönüştürülebiliyor.
2022 yılında Chemosphere dergisinde yayımlanan başka bir çalışmada, besin maddeleri önceden geri kazanılmış idrar akışının MFC’de kullanılması incelendi. Araştırmacılar bu ön işlemin MFC’nin yük üzerindeki performansını artırabildiğini ve coulombic efficiency (koulombik verim) değerini %32,3 ± 4,1 oranında yükselttiğini bildirdi.
Bu tür çalışmalar, idrarın tek bir işlemle değerlendirilmesi yerine farklı aşamalarda farklı kaynakların geri kazanıldığı döngüsel sistemlere doğru ilerlenmesine katkı sağlıyor.
Elektrik Üretimi ile Hidrojen Üretimi Arasındaki Fark
İdrarın biyoelektrokimyasal sistemlerde değerlendirilmesi elektrik üretimiyle sınırlı kalmıyor. Benzer prensiplerden yararlanılarak hidrojen üretimi de araştırılıyor.
Burada kullanılan sistemlerden biri mikrobiyal elektroliz hücresidir (Microbial Electrolysis Cell – MEC, mikroorganizmaların organik maddeleri parçalamasıyla oluşan elektron ve protonlardan hidrojen üretmek için kullanılan sistem).
MFC kendi ürettiği elektrokimyasal potansiyelden elektrik akımı elde ederken, MEC sisteminde hidrojen üretimini desteklemek için dışarıdan elektriksel gerilim uygulanabiliyor.
Bu nedenle idrarın biyoelektrokimyasal değerlendirilmesinde üç farklı hedef ortaya çıkıyor: elektrik, hidrojen ve besin maddelerinin geri kazanılması.
Hollanda’da İdrarın Pilot Tesise Taşınması
İdrardan enerji ve kaynak geri kazanımı fikri 2026 yılında Hollanda’da yeniden gündeme geldi.
Eylül 2026’da yayımlanan haberlerde, Friesland bölgesindeki bir su yönetimi kurumunda yaklaşık 260 erkek çalışanın kullandığı özel pisuvarlardan toplanan idrarın bir boru sistemiyle ayrı bir konteynerde bulunan Wetsus pilot sistemine gönderildiği aktarıldı. Sistem üzerinde fosfatın geri kazanılması, amonyağın tutulması ve elektrik üretimi birlikte gerçekleştirildi. Haberlerde Wetsus’un üretilen elektrik miktarını kurumun elektrikli araçlarının günlük yaklaşık 50 kilometrelik kullanımına karşılık gelen bir çıktı olarak açıkladığı belirtildi.
Wetsus, Leeuwarden merkezli bir su teknolojisi araştırma kuruluşu. Kurumun Wetterskip Fryslân ile yürüttüğü iş birliği de enerji üretimi, kaynak geri kazanımı ve atık sudaki kirleticilerin giderilmesini kapsıyor.
Buradaki önemli gelişme, teknolojinin laboratuvar ölçeğinden çıkıp kaynağında ayrı toplanan idrarın gerçek bir kurumun atık akışı içinde değerlendirilmesine doğru ilerlemesi.
İdrardan Elektrik Üretmenin Önündeki Mühendislik Sorunları
İdrarın elektrik üretiminde kullanılabileceği deneylerle gösterilmiş olsa da teknolojinin yaygınlaşması için çözülmesi gereken mühendislik sorunları bulunuyor.
Bunların başında ölçek büyütme geliyor. Küçük bir MFC’nin laboratuvarda yüksek güç yoğunluğu üretmesi, aynı performansın binlerce litre idrarı sürekli işleyen büyük bir tesiste elde edileceği anlamına gelmiyor. Akış kontrolü, elektrot maliyeti, biyofilm oluşumu, sıcaklık, pH ve enerji depolama gibi faktörlerin birlikte yönetilmesi gerekiyor.
İdrarın toplama biçimi de önemli. Kanalizasyona karışan idrar büyük miktarda suyla seyrelirken, kaynağında ayrı toplanan idrar daha yoğun bir hammadde oluşturuyor. Bu nedenle teknoloji özellikle kaynakta ayırma sistemleriyle birlikte değerlendiriliyor.
2022 tarihli bir derleme de MFC teknolojisinin laboratuvar ve pilot çalışmalardan ticari ölçekte kullanıma geçmesi için ölçek büyütme çalışmalarının sürdürülmesi gerektiğini vurguluyor.
Tuvaletin Enerji ve Hammadde Kaynağına Dönüşmesi
İdrardan elektrik üretme araştırmalarının asıl ilginç tarafı, tuvaleti bir atık çıkış noktası olmaktan çıkarıp kaynak toplama sisteminin parçası haline getirmesi.
Geleneksel kanalizasyon sisteminde idrar, dışkı ve büyük miktarda su aynı akış içinde taşınıyor. Kaynakta ayırma yaklaşımında ise idrar ayrı bir akış olarak toplanabiliyor. Böylece içindeki azot ve fosfor daha kolay geri kazanılabiliyor; organik maddeler biyolojik sistemlerde enerji üretimi için değerlendirilebiliyor.
Mikrobiyal yakıt hücreleri bu dönüşümün önemli araçlarından biri. İlk deneylerde amaç idrarın elektrik üretiminde kullanılabileceğini göstermekti. Bristol’deki saha deneyleri teknolojinin gerçek tuvaletlerde çalışabileceğini ortaya koydu. Daha sonraki araştırmalar elektrotları, güç yoğunluğunu ve sistem tasarımını geliştirdi. Güncel pilot projeler ise elektrik üretimini besin maddelerinin geri kazanılması ve atık su arıtımıyla birlikte ele alıyor.
Böyle bakıldığında konu, “idrardan elektrik üretmek” fikrinden daha geniş bir yere ulaşıyor: insan atığındaki kimyasal enerjiyi ve hammaddeleri geri kazanmak.
İdrar, her gün ve dünyanın her yerinde üretilen bir kaynak. MFC teknolojisi ise bu kaynağın içindeki kimyasal enerjiyi elektrik akımına dönüştürmenin yollarından biri. Önümüzdeki dönemde asıl gelişme, daha fazla elektrik üretmek kadar bu sistemi su arıtımı, gübre üretimi ve kaynak geri kazanımıyla birlikte çalıştırabilmekte yatıyor.