Устройство для генерации электрической энергии
Техническое решение относится к области альтернативной энергетики, а именно, к биотопливным элементам. Устройство может быть применено для генерации электрического тока при использовании глюкозы в качестве топлива.
Техническим результатом является улучшение энергетических характеристик устройства, за счет использования нового типа биокатализатора в анодном пространстве и протонселективной мембраны, разделяющей анодное и катодное пространства.
Устройство для генерации электрической энергии, содержащее двухкамерную электролитическую ячейку, полупроницаемую перегородку, графитовые электроды, магнитную мешалку, биокатализатор и медиатор электронного транспорта. В качестве биокатализатора использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subsp. industrius (BKM В-1280), а полупроницаемая перегородка выполнена из протонселективной мембраны.
1 н.п.ф. 1 илл.
Техническое решение относится к области альтернативной энергетики, а именно, к биотопливным элементам. Устройство может быть применено для генерации электрической энергии при использовании глюкозы в качестве топлива.
В настоящее время основная часть потребностей в электроэнергии удовлетворяется путем использования невосполнимых природных ресурсов, что влечет за собой возникновение серьезных экологических проблем. В связи с этим актуальным направлением при поиске и создании альтернативных источников электрической энергии является разработка биотопливных элементов (БТЭ). В основе функционирования этих устройств лежат процессы биокаталитического окисления органических веществ с генерацией электричества. Основой БТЭ является биокатализатор, в качестве которого могут выступать ферменты, мембранные фракции бактерий и целые клетки микроорганизмов. Использование каждого типа биокатализатора имеет свои преимущества и недостатки. Использование мембранных фракций бактерий в качестве биокатализатора БТЭ устраняет необходимость дорогостоящего выделения индивидуальных ферментов, при этом активные центры ферментов, ответственных за окисление субстрата и взаимодействие с медиатором электронного транспорта являются более доступными по сравнению с целыми клетками микроорганизмов.
Представленное в литературе устройство БТЭ [D.H.Park, J.G.Zeikus. Electricity Generation in Microbial Fuel Cells Using Neutral Red as an Electronophore. Appl. Environm. Microbiol. - 2000 - V.66 - P.1292-1297] на основе бактерий Е. coli и A. succinogenes и медиатора электронного транспорта нейтрального красного характеризуется низкими энергетическими характеристиками, а модель [М.Grzebyka and G.Ро'zniakb. Microbial fuel cells (MFCs) with interpolymer cation exchange membranes. Separation and Purification Technology. 2005 - V.41 - P.321-328] на основе бактерий Е. coli предполагает отказ от использования медиатора электронного транспорта, но при этом применение дорогостоящих материалов.
Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип является устройство для генерации электрической энергии, описанное в работе [Алферов С.В., Томашевская Л.Г., Понаморева О.Н., Богдановская В.А., Решетилов А.Н. Анод биотопливного элемента на основе бактериальных клеток Gluconobacter и медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорфенолиндофенола. Электрохимия - 2006 - Т.42 - 
4 - С.456-457].
Основой известного устройства для генерации электрической энергии являлась двухкамерная ячейка. Объем анодного отделения был равен объему катодного и составлял 5 мл. Электродами служили графитовые стержни диаметром 8 мм. Глубина погружения электродов в раствор - 10 мм. Связь кювет осуществлялась через отверстие в стенке. Камеры разделяли перегородкой, выполненной из ацетатцеллюлозной мембраны. Измерения проводили в натрий-фосфатном буферном растворе (рН 6,0) при постоянном перемешивании раствора магнитной мешалкой. В качестве биокатализатора были использованы бактерии Gluconobacter oxydans subsp. industrius (BKM В-1280). В качестве медиатора электронного транспорта использовался 2,6-дихлорфенолиндофенол. Регистрацию генерируемого потенциала проводили после добавления глюкозы. Средняя величина генерируемого потенциала в описанной системе при разомкнутой внешней цепи составляла 50-60 мВ. При приложенном внешнем сопротивлении 10 кОм напряжение составляло 5,6 мВ, а внутреннее сопротивление ячейки 88 кОм. Существенным недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются низкие энергетические и мощностные характеристики.
Задачей предлагаемого технического решения является улучшение энергетических характеристик устройства.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для генерации электрической энергии, содержащем электролитическую ячейку, состоящую из разделенных полупроницаемой перегородкой анодной и катодной камер для размещения в них буферного раствора, размещенные в анодной и катодной камерах графитовые электроды, магнитную мешалку, причем анодная камера выполнена с возможностью дополнительного размещения биокатализатора и медиатора электронного транспорта, причем в качестве биокатализатора использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subsp. Industrius (BKM В-1280), а полупроницаемая перегородка выполнена из протонселективной мембраны».
На фиг.1 показано устройство для генерации электрической энергии на основе мембранной фракции бактерий.
Предлагаемое устройство состоит из следующих элементов: двухкамерной электролитической ячейки 1, состоящей из двух кювет, объем анодного отделения равен объему катодного и составляет 5 мл. Связь кювет осуществляют через отверстие в стенке диаметром 6 мм. Кюветы разделены протонселективной мембранной 5. Электродами служат графитовые стержни анод 2 и катод 3 диаметром 8 мм. Высота погружения электродов в буферный раствор - 10 мм. Для непрерывного перемешивания используют магнитную мешалку 4, скорость перемешивания 400-500 об/мин. В качестве биокатализатора 6 использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subap. Industrius (BKM В-1280). В качестве медиатора электронного транспорта 7 в анодном отделении использован 2,6-дихлорфенолиндофенод.
Для получения мембранной фракции наращивали биомассу бактерий Gluconobacter oxydans subap. Industrius (BKM В-1280) (предоставлены Всероссийской коллекции микроорганизмов ИБФМ РАН, г.Пущино). Культивирование бактерий G. oxydans В-1280 проводили на питательной среде следующего состава: D-сорбит - 200 г/л; дрожжевой экстракт - 20 г/л; объем среды 100 мл, рН среды - 5,2-5,5, при температуре 28°C, в течение 18-20 часов. Среду для выращивания бактерий стерилизовали автоклавированием при давлении 1,1 атмосфера в течение 30 мин. После культивирования клетки собирали центрифугированием при 8000 об/мин в течение 10 мин. и отмывали двукратно 10 мМ натрий-фосфатным буферным раствором с рН 6. Осевшие клетки ресуспендировали в новой порции буфера и центрифугировали 3 мин при 12000 об/мин. Разрушение бактерий G. oxydans производили с использованием ультразвукового диспергатора УЗД 11-0,1/22 в фосфатно-цитратном буферном растворе (рН 6,0), содержащем 1 мМ соль Mg2+ и 1 мМ соль Са 2+. Время обработки ультразвуком составляло 5 минут при подаваемой мощности 100 Вт, рабочей частоте 22 кГц. Полученную суспензию разрушенных бактерий центрифугировали при 4000 g в течение 20 мин. Затем производили центрифугирование при 14000 g, что вызывало осаждение мембранной фракции бактерий. Надосадочная жидкость представляла собой цитоплазматическую фракцию. Биокатализатор - мембранная фракция добавлялась в виде раствора в анодное отделение БТЭ. Регистрацию генерируемого потенциала проводили после добавления глюкозы. Для регистрации потенциала, генерируемого в БТЭ, используют прибор, определяющий зависимость потенциала рабочего электрода от времени - IPC Micro, подключаемый к персональному компьютеру.
Принцип работы предлагаемого устройства для генерации электрической энергии заключается в следующем: графитовые стержни анод 2 и катод 3 погружаются в 30 мМ фосфатный буферный раствор (рН 6,0) электролитической ячейки 1. В анодное отделение добавляют мембранную фракцию 6 бактерий G. oxydans В-1280 и медиатор электронного транспорта 7 (2,6-дихлорфенолиндофенол). После установления стационарного значения потенциала в анодное отделение добавляют субстрат биоокисления и регистрируют величину генерируемого потенциала. Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 4 при комнатной температуре.
Средняя величина генерируемого потенциала в системе при разомкнутой внешней цепи составляет 240-260 мВ. При приложенном внешнем сопротивлении 100 кОм напряжение составляет 210-220 мВ, а внутреннее сопротивление ячейки 100 кОм.
Таким образом, предлагаемое устройство для генерации электрического тока на основе мембранной фракции бактерий Gluconobacter oxydans subsp. industrius (ВКМ В-1280) обеспечивает возможность значительного увеличения энергетических характеристик представленной ранее модели устройства для генерации электрической энергии.
Устройство для генерации электрической энергии, содержащее электролитическую ячейку, состоящую из разделенных полупроницаемой перегородкой анодной и катодной камер для размещения в них буферного раствора, размещенные в анодной и катодной камерах графитовые электроды, магнитную мешалку, отличающееся тем, что анодная камера выполнена с возможностью дополнительного размещения биокатализатора и медиатора электронного транспорта, причем в качестве биокатализатора использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subsp. Industrius (BKM B-1280), а полупроницаемая перегородка выполнена из протонселективной мембраны.
