微生物電池(改)

1、利用微生物催化作用將有機(jī)物中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置 14生物科學(xué)2班馬宇昂 張智勇 周煜博cataloguecatalogue 基本原理（Rationale） 微生物燃料電池獨(dú)特優(yōu)勢(shì) 物質(zhì)解析與介體分類 構(gòu)造體系 直接微生物燃料電池的實(shí)例 直接微生物燃料電池發(fā)展方向 試研究與應(yīng)用 結(jié)語(yǔ)基本原理 在陽(yáng)極室(負(fù)極)厭氧環(huán)境下，有機(jī)物在微生物作用下分解并釋放出電子和質(zhì)子，電子依靠合適的電子傳遞介體在生物組分和陽(yáng)極之間進(jìn)行有效傳遞，并通過(guò)外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過(guò)質(zhì)子交換膜傳遞到陰極(正極)，氧化劑（一般為氧氣）在陰極得到電子被還原與質(zhì)子結(jié)合成水。 大多數(shù)微生物燃料電池只在陽(yáng)極使用微生

2、物催化劑,因此微生物燃料電池的研究工作也多是針對(duì)電池陽(yáng)極區(qū)。陰極陽(yáng)極陰極陽(yáng)極其他燃料電池不具備的若干特點(diǎn) 原料廣泛可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機(jī)、無(wú)機(jī)物質(zhì)作為燃料,甚至可利用光合作用或直接利用污水等。 操作條件溫和一般是在常溫、常壓、接近中性的環(huán)境中工作。這使得電池維護(hù)成本低、安全性強(qiáng)。 生物相容性利用人體內(nèi)葡萄糖和氧為原料的生物燃料電池可以直接植入人體,作為心臟起搏器等人造器官的電源。物質(zhì)解析電子傳遞方式 直接的微生物燃料電池指燃料在電極上氧化的同時(shí)，電子直接從燃料分子轉(zhuǎn)移到電極，再由生物催化劑直接催化電極表面的反應(yīng); 間接的微生物燃料電池間接微生物燃料電池的燃料不在電極上氧化，燃

3、料是在電解液中或其它處所反應(yīng)，電子通過(guò)某種途徑轉(zhuǎn)移(氧化還原介體傳遞)到電極上。間接生物燃料電池工作原理直接微生物燃料電池工作原理電子傳遞中間體分類 由于大部分微生物不具有電化學(xué)活性，電子無(wú)法直接從微生物到達(dá)電極，所以很多微生物燃料電池都需要電子傳遞中間體的參與，即構(gòu)成間接微生物燃料電池。 1、人工合成的介體，主要是一些染料類的物質(zhì)硫堇、AQDS和中性紅等；2、某些微生物自身可以合成介體。電子傳遞中間體(介體)間接微生物燃料電池局限性 電子傳遞的距離大，電子傳遞通道效率低電子傳 遞中間體有毒且易分解，使用介體的間接型電池占主導(dǎo)地位。近年來(lái)，國(guó)外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種特殊的細(xì)菌，可在無(wú)電子傳遞中間體存在的

4、條件下，將電子直接傳遞給電極產(chǎn)生電，構(gòu)成直接微生物燃料電池。解決了需電子介體微生物燃料電池的高運(yùn)行成本問(wèn)題，同時(shí)也保證了功率密度的高效輸出 直接(無(wú)介體)微生物燃料電池未解決的問(wèn)題微生物微生物與電極間電極間的電能輸出原理1胞外電子傳遞機(jī)制吸附在電極上的細(xì)菌懸浮在溶液中的細(xì)菌直接微生物燃料電池(兩室)構(gòu)造體系 微生物燃料電池由有機(jī)玻璃材料制成，陰陽(yáng)兩極室體積為 120 m L，極室的尺寸為 63 mm63 mm30 mm. 電池由 4 塊有機(jī)玻璃板通過(guò)螺栓穿接固定而成。 圖片 直接微生物燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖 Fig. Direct microbial fuel cell assembly 雙室微生

5、物燃料電池裝置示意圖Schematic diagram of the dual-chamber MFCs直接微生物燃料電池的實(shí)例 腐敗希瓦菌(Shewanella putrefaciens) 一種還原鐵細(xì)菌，在提供乳酸鹽或氫之后，無(wú)需氧化還原介質(zhì)就能產(chǎn)生電。實(shí)驗(yàn)研究：以腐敗希瓦菌等為催化劑，乳酸鹽為燃料組裝微生物燃料電池。研究發(fā)現(xiàn)不用氧化還原介體，直接加入燃料后，幾個(gè)電池的電勢(shì)都有明顯提高。 機(jī)理：位于細(xì)胞外膜的細(xì)胞色素具有良好的氧化還原性能。可在電子傳遞的過(guò)程中起到介體的作用，且它本身就是細(xì)胞膜的一部分，不存在氧化還原介質(zhì)對(duì)細(xì)胞膜的滲透問(wèn)題，從而可以設(shè)計(jì)出無(wú)介體的高性能微生物燃料電池。其他的

6、一些直接微生物燃料電池Rhodoferax ferrireducens 燃料電池將糖類代謝能轉(zhuǎn)化為電能Geobacteraceae sulferreducens燃料電池直接微生物燃料電池發(fā)展方向(1)目前大多數(shù)直接微生物燃料電池由單一菌種構(gòu)建。 要達(dá)到普遍應(yīng)用的目的，急需發(fā)現(xiàn)能夠使用廣泛有機(jī)物作為電子供體的高活性微生物。今后的研究將繼續(xù)致力于發(fā)現(xiàn)和選擇這種高活性微生物。以發(fā)酵廢水（如淀粉廠出水）為燃料建立微生物燃料電池，試分離所需菌種。發(fā)展方向()在電池的構(gòu)造方面：現(xiàn)有微生物燃料電池一般有陰陽(yáng)兩個(gè)極室，中間由質(zhì)子交換膜隔開(kāi)。這種結(jié)構(gòu)不利于電池的放大。 單室設(shè)計(jì)的微生物燃料電池將質(zhì)子交換膜纏繞于

7、陰極棒上，置于陽(yáng)極室，這種結(jié)構(gòu)有利于電池的放大，已用于大規(guī)模處理污水發(fā)展方向(3)電能的輸出很大程度上受到陰極反應(yīng)的影響。 低電量輸出往往由于 1陰極微弱的氧氣還原反應(yīng) 2氧氣通過(guò)質(zhì)子交換膜擴(kuò)散至陽(yáng)極。 氧氣擴(kuò)散到陽(yáng)極會(huì)嚴(yán)重影響兼性厭氧菌,減小電量，因?yàn)檫@類菌很可能不再以電極為電子受體而以氧氣作最終電子受體。 陰陽(yáng)極材料的選擇繼續(xù)是微生物燃料電池研究的重點(diǎn)之一。發(fā)展方向 (4)質(zhì)子交換膜問(wèn)題 質(zhì)子交換膜對(duì)于維持微生物燃料電池電極兩端pH值的平衡、電極反應(yīng)的正常進(jìn)行都起到重要的作用。 通常情況，質(zhì)子交換膜微弱的質(zhì)子傳遞能力改變了陰陽(yáng)極的pH值，從而減弱了微生物活性和電子傳遞能力，并且陰極質(zhì)子供給

8、的限制影響了氧氣的還原反應(yīng)。 質(zhì)子交換膜的好壞和性質(zhì)的革新直接關(guān)系到微生物燃料電池的工作效率、產(chǎn)電能力等。 目前所用的質(zhì)子交換膜成本過(guò)高，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。有人用鹽橋代替質(zhì)子交換膜進(jìn)行試驗(yàn)，但效果不佳。所以今后將設(shè)法提高質(zhì)子交換膜的穿透性以及建立非間隔化的生物電池。發(fā)展方向(5)陽(yáng)極電極材料的改進(jìn)以及表面積的提高 陽(yáng)極直接參與微生物催化的燃料氧化反應(yīng) 而且吸附在電極上的那部分微生物對(duì)產(chǎn)電量起主要作用有利于更多的微生物吸附到電極上。例：通過(guò)把電極材料換成多孔性的物質(zhì)，如石墨氈、泡沫狀物質(zhì)、活性炭等，或者在陽(yáng)極上加入聚陰離子或鐵、錳元素，都能使電池更高效地進(jìn)行工作。 21 世紀(jì)初，微生物燃料電池的

9、研究重點(diǎn)是功率輸出的提高，經(jīng)過(guò)十年左右的研究工作，其功率密度輸出提高了 100 多倍。近年來(lái)，研究重心更偏向于微生物燃料電池的應(yīng)用化研究。試研究與應(yīng)用 MFC 的放大工業(yè)應(yīng)用的一個(gè)必經(jīng)之路微生物、材料、技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)等方面，給 MFC 實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了諸多困難。 主要因素包括：電池功率密度較低，離實(shí)際應(yīng)用相差較遠(yuǎn)：目前質(zhì)子交換膜燃料電池的功率密度可達(dá)3W/cm2,而生物燃料電池的功率密度還達(dá) 不到1mW/cm2,可見(jiàn)兩者差距之大；電極材料，特別是鉑價(jià)格昂貴；微生物燃料電池長(zhǎng)期運(yùn)行容易造成電極和膜的污染，運(yùn)行成本高和操作難度大。 電池的功率會(huì)隨著單電池體積的增大而增大，電池的功率密度卻是隨著體積的增

10、大而減小。這種規(guī)律決定了微生物燃料電池的放大應(yīng)該是將多個(gè)相同的單電池有機(jī)地組合起來(lái)。 在中試研究方面，昆士蘭大學(xué) Keller、Rabaey與福斯特（Foster）啤酒廠合作，建成了世界上第一個(gè)中試規(guī)模的 MFC（圖 6），該 MFC 為單室，由 12個(gè)模塊構(gòu)成，每個(gè)高 3m，總?cè)莘e大約 1m3，其中陽(yáng)極采用碳纖維刷，陰極采用石墨纖維刷，陽(yáng)極置于裝置的內(nèi)部，陰極包裹于裝置的外部，利用啤酒廢水發(fā)電，可承受的有機(jī)負(fù)荷為 10g COD/ (Ld)。 在國(guó)內(nèi)，中國(guó)海洋大學(xué)的付玉彬等構(gòu)建了海洋沉積物微生物燃料電池，利用串并聯(lián)升壓的方式，在膠州灣淺海成功驅(qū)動(dòng)小型電子裝置的運(yùn)行。試應(yīng)用方面，利用微生物燃料

11、電池處理廢水可以實(shí)現(xiàn)廢水到電能的一步轉(zhuǎn)化，在處理廢水的同時(shí)使廢水資源化。廢水中有機(jī)物是否可生化降解是 MFC 處理廢水的關(guān)鍵，因?yàn)槠渲苯佑绊懼芰康霓D(zhuǎn)換。應(yīng)用廢水處理應(yīng)用微生物電合成 使陽(yáng)極釋放的能量能夠以化學(xué)品的形式在陰極儲(chǔ)存。目前，在微生物電合成方面，所產(chǎn)物質(zhì)主要包括H2、H2O2以及低分子有機(jī)物。 微生物傳感器微生物燃料電池的電流（電壓）或電子庫(kù)侖量與電子供體的含量之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測(cè)定，其中用于廢水中 BOD (生化需氧量)測(cè)定的研究最為成熟，對(duì) MFC 應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大具有重要意義。 生物燃料電池的研究仍處于起步階段,如何充分將其諸多優(yōu)勢(shì)為人類所用,提高微生物轉(zhuǎn)化效率和輸出功