微生物電池(改)

1、利用微生物催化作用將有機物中的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置 14生物科學2班馬宇昂 張智勇 周煜博cataloguecatalogue 基本原理（Rationale） 微生物燃料電池獨特優(yōu)勢 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例 直接微生物燃料電池發(fā)展方向 試研究與應用 結(jié)語基本原理 在陽極室(負極)厭氧環(huán)境下，有機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極之間進行有效傳遞，并通過外電路傳遞到陰極形成電流，而質(zhì)子通過質(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電池陽極區(qū)。陰極陽極陰極陽極其他燃料電池不具備的若干特點 原料廣泛可以利用一般燃料電池所不能利用的多種有機、無機物質(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。這使得電池維護成本低、安全性強。 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，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; 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，電子通過某種途徑轉(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活性，電子無法直接從微生物到達電極，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地位。近年來，國外陸續(xù)發(fā)現(xiàn)幾種特殊的細菌，可在無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行成本問題，同時也保證了功率密度的高效輸出 直接(無介體)微生物燃料電池未解決的問題微生物微生物與電極間電極間的電能輸出原理1胞外電子傳遞機制吸附在電極上的細菌懸浮在溶液中的細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玻璃材料制成，陰陽兩極室體積為 120 m L，極室的尺寸為 63 mm63 mm30 mm. 電池由 4 塊有機玻璃板通過螺栓穿接固定而成。 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例 腐敗希瓦菌(Shewanella putrefaciens) 一種還原鐵細菌，在提供乳酸鹽或氫之后，無需氧化還原介質(zhì)就能產(chǎn)生電。實驗研究：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，幾個電池的電勢都有明顯提高。 機理：位于細胞外膜的細胞色素具有良好的氧化還原性能?？稍陔娮觽鬟f的過程中起到介體的作用，且它本身就是細胞膜的一部分，不存在氧化還原介質(zhì)對細胞膜的滲透問題，從而可以設(shè)計出無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。 要達到普遍應用的目的，急需發(fā)現(xiàn)能夠使用廣泛有機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兩個極室，中間由質(zhì)子交換膜隔開。這種結(jié)構(gòu)不利于電池的放大。 單室設(shè)計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的影響。 低電量輸出往往由于 1陰極微弱的氧氣還原反應 2氧氣通過質(zhì)子交換膜擴散至陽極。 氧氣擴散到陽極會嚴重影響兼性厭氧菌,減小電量，因為這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。 陰陽極材料的選擇繼續(xù)是微生物燃料電池研究的重點之一。發(fā)展方向 (4)質(zhì)子交換膜問題 質(zhì)子交換膜對于維持微生物燃料電池電極兩端pH值的平衡、電極反應的正常進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。 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)子交換膜成本過高，不利于實現(xiàn)工業(yè)化。有人用鹽橋代替質(zhì)子交換膜進行試驗，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)陽極電極材料的改進以及表面積的提高 陽極直接參與微生物催化的燃料氧化反應 而且吸附在電極上的那部分微生物對產(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，或者在陽極上加入聚陰離子或鐵、錳元素，都能使電池更高效地進行工作。 21 世紀初，微生物燃料電池的

9、研究重點是功率輸出的提高，經(jīng)過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，研究重心更偏向于微生物燃料電池的應用化研究。試研究與應用 MFC 的放大工業(yè)應用的一個必經(jīng)之路微生物、材料、技術(shù)以及經(jīng)濟等方面，給 MFC 實際應用帶來了諸多困難。 主要因素包括：電池功率密度較低，離實際應用相差較遠：目前質(zhì)子交換膜燃料電池的功率密度可達3W/cm2,而生物燃料電池的功率密度還達 不到1mW/cm2,可見兩者差距之大；電極材料，特別是鉑價格昂貴；微生物燃料電池長期運行容易造成電極和膜的污染，運行成本高和操作難度大。 電池的功率會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該是將多個相同的單電池有機地組合起來。 在中試研究方面，昆士蘭大學 Keller、Rabaey與福斯特（Foster）啤酒廠合作，建成了世界上第一個中試規(guī)模的 MFC（圖 6），該 MFC 為單室，由 12個模塊構(gòu)成，每個高 3m，總?cè)莘e大約 1m3，其中陽極采用碳纖維刷，陰極采用石墨纖維刷，陽極置于裝置的內(nèi)部，陰極包裹于裝置的外部，利用啤酒廢水發(fā)電，可承受的有機負荷為 10g COD/ (Ld)。 在國內(nèi)，中國海洋大學的付玉彬等構(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)動小型電子裝置的運行。試應用方面，利用微生物燃料

11、電池處理廢水可以實現(xiàn)廢水到電能的一步轉(zhuǎn)化，在處理廢水的同時使廢水資源化。廢水中有機物是否可生化降解是 MFC 處理廢水的關(guān)鍵，因為其直接影響著能量的轉(zhuǎn)換。應用廢水處理應用微生物電合成 使陽極釋放的能量能夠以化學品的形式在陰極儲存。目前，在微生物電合成方面，所產(chǎn)物質(zhì)主要包括H2、H2O2以及低分子有機物。 微生物傳感器微生物燃料電池的電流（電壓）或電子庫侖量與電子供體的含量之間存在對應關(guān)系，因此微生物燃料電池能用于某些底物含量的測定，其中用于廢水中 BOD (生化需氧量)測定的研究最為成熟，對 MFC 應用領(lǐng)域的擴大具有重要意義。 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)勢為人類所用,提高微生物轉(zhuǎn)化效率和輸出功