Микробный биотопливный элемент

Предполагаемая полезная модель относится к области биотехнологии, а именно, к выработке электрической энергии микроорганизмами, составляющими основу микробного биотопливного элемента (МБТЭ). Они могут быть использованы в мероприятиях по охране окружающей среды. Вместе с тем технология микробных топливных элементов (МТЭ) позволяет напрямую получать электричество при окислении органических и неорганических компонентов сточных вод. Технический эффект - повышение выхода электроэнергии и интенсификация утилизации компонентов сточных вод. Предложенный МБТЭ в общем виде представляет собой ячейку, имеющую отсек для подсоединения электродов, анодную 3 и катодную камеры 4. Камеры отделены друг от друга протонообменной мембраной 5. Обе камеры оборудованы устройствами для подвода и отвода газа. В анодной камере создавали анаэробные условия. Это достигалось подачей аргона. Барботирование аргоном кроме того обеспечивает перемешивание суспензии и предотвращает оседание микроорганизмов на дно отсека. В качестве суспензии микробных клеток использован штамм Micrococcus luteus 1-й.

Предполагаемая полезная модель относится к области биотехнологии, а именно, к выработке электрической энергии микроорганизмами, составляющими основу микробного биотопливного элемента (МБТЭ). Источники такого типа относятся к альтернативным источникам энергии. Они могут быть использованы в мероприятиях по охране окружающей среды, поскольку производят электрическую энергию путем окисления загрязняющих среду органических соединений, а также в малой энергетике для создания стационарных источников питания с невысокими уровнями отдаваемой энергии; для выполнения научных исследований. Вместе с тем технология микробных топливных элементов (МТЭ) позволяет напрямую получать электричество при окислении органических и неорганических компонентов сточных вод.

Известные МБТЭ созданы на основе микроорганизмов, относящихся к различным систематическим группам. Gluconobacter является одним из микроорганизмов, применяемых в МБТЭ [A. Reshetilov, S. Alferov, L. Tomashevskaya, O. Ponamoreva. Testing bacteria Gluconobacter oxydans and electron transport mediators composition for application in biofuel cell // Electroanalysis. 2006. 18 (19-20), 2030-2034]. Его использование в роли биокатализатора в МБТЭ считается высокоперспективным в связи с обилием дегидрогеназ в периплазме клеток, осуществляющих окисление углеродных субстратов. Это обеспечивает легкий доступ медиатора к активным центрам фермента. В качестве субстратов используют органические вещества, такие как полисахара и высшие спирты. В их число попадают побочные продукты или отходы биотехнологических производств. Одним из таких продуктов является глицерин. В последнее десятилетие этот субстрат привлекает внимание как недорогой побочный продукт промышленного производства биодизеля [Appanna V. Metabolically engineered microbial systems and the conversion of agricultural biomass into simple sugars for the production of biofuels // Keynote lecture at the Session 3. BIOFUELS of the Int. Conf. MEC-2007, Moscow, Russia, October, 1-3, 2007; Arechederra R., Treu В., Minteer Sh. Development of glycerol | O2 biofuel cell. // J. Power Sources. 2007. 173 (1). 156-1612]. Способность Gluconobacter окислять субстраты в течение длительного времени без неконтролируемого увеличения биомассы является преимущественным свойством микробных клеток для использования в МБТЭ.

Предложен макет МБТЭ на основе клеток Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280, окислявших глюкозу в присутствии 2,6-дихлорофенолиндофенола [Алферов С.В., Л.Г. Томашевская, Понаморева О.Н., В.А. Богдановская, А.Н. Решетилов. Анод биотопливного элемента на основе бактериальных клеток Gluconobacter oxydans и медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорофенолиндофенола. // Электрохимия, 2006. 42 (4). 456-457], ферроцена [A. Reshetilov, S. Alferov, L. Tomashevskaya, O. Ponamoreva. Testing bacteria Gluconobacter oxydans and electron transport mediators composition for application in biofuel cell // Electroanalysis. 2006. 18 (19-20), 2030-2034]. В данной модели использовали только потенциометрический метод, генерацию энергии рассматривали только в ограниченном диапазоне внешних нагрузок. В работе [Tomashevskaia L.G., Alferov S.V., Tomashevskii А.А., Reshetilov A.N. Power characteristics of microbial fuel cell based on Gluconobacter cell suspension and 2,6-dichlorophenolindophenol as electron transport mediator // Proceedings of the International Conference MEC-2007, Moscow, Russia, October, 1-3, 2007] авторы исследовали мощностью характеристики МБТЭ, работа которого базируется на использовании суспензии клеток Gluconobacter oxydans ВКМ В-1280. В работе [Китова А., Томашевская Л., Решетилов А.Н. Перспективы создания микробного биотопливного элемента (БТЭ) на основе метаболизма глицерина у Gluconobacter oxydans // Сб. тез. Второго м/н конгресса «ЕвразияБио-2010» Москва, 13-15 апреля 2010 г. / Под ред. Р.Г.Василова. - М.: Изд. «Копиринг», 2010. - 436 с, с. 92] рассмотрены перспективы создания МБТЭ на основе метаболизма глицерина клетками Gluconobacter. Использовали штамм G, oxydans ВКМ В-1280. В работах [А.Е. Китова, Л.Г. Томашевская, С.Ю. Поздина, А.А.Баринова, А.Н. Решетилов. Исследование окислительной активности Gluconobacter для применения в глицериновом биотопливном элементе. // Тезисы VI молодежной школы с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», 25-27 октября 2010, стр. 135-138; П.Р. Минайчева, А.Е. Китова, Л.Г. Томашевская, А.Н. Решетилов. Межштаммовые различия Gluconobacter при окислении глицерина в микробном биотопливном элементе. // Тезисы VI молодежной школы с международным участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», 25-27 окт.2010, стр. 43-45] использовали 3 штамма Gluconobacter. Все штаммы проявляли биоэлектрокаталитическую активность.

Известен микробный топливный элемент /Патент CA 2769833 C12M 1/00; C12M 1/04; C12P 3/00; H01M 2/16; H01M 8/16. 10.02.11/ состоящий из: катодного отсека, анодного отсека, с электродом и имеющим по крайней мере один вход для внедрения на топливе водород отделенные проницаемой мембраной для протонов в которой микроорганизмы являются одним из chemolithoautotrophic; миксотрофных; chemolithoautotrophic и миксотрофных; и chemolithoautotrophic, миксотрофных и гетеротрофных где род каждого из указанных микроорганизмов является одним из Leptospirillum, Ферроплазма, Sulfobacillus, Acidithiobacillus, Alicyclobacilus, Acidimicrobium и Ferrimicrobium.

Ближайшим аналогом микробного биотопливного элемента /Патент РФ на полезную модель 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г., содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter cerinus ВКМ В-1283.

Недостатком использования Gluconobacter является избирательный рост штамма на глицерине, низкая устойчивость к токсикантам питательных субстратов на основе сточных вод, более низкий уровень генерируемого электричества в МБТЭ, потребность в медиаторе. Использование медиаторов резко сокращает время работы МБТЭ, негативно влияет на биоагент - микроорганизмы, осуществляющие катализ процесса переноса электронов с окисляемого субстрата на анод, не позволяет использовать проточную систему и мало приемлем при создании реальных источников тока на основе МБТЭ.

Так же согласно исследованиям Алферова С.В. (2010): «Бактерии G. cerinus (ВКМ В-1283) способны восстанавливать медиатор 2,6-ДХФИФ без добавления экзогенного субстрата в анодное отделение, что для этих микроорганизмов установлено впервые. По-видимому, эти бактерии в процессе роста накапливают большое количество эндогенных субстратов окисления, которые далее могут расходоваться в процессах микробного метаболизма. При этом добавление глюкозы в анодное отделение, содержащее Gluconobacter cerinus и медиатор электронного транспорта, не вызывает генерации потенциала. Таким образом, этот бактериальный штамм не может быть использован в качестве биокатализатора в БТЭ (МБТЭ)». (Алферов С.В. Физико-химические аспекты переноса заряда в системе субстрат - бактериальные клетки Gluconobacter oxydans - питательный субстрат-электрод в биотопливном элементе: диссертация... кандидата химических наук: 03.01.06; Количество страниц: 127 с., ил. Москва: 2010).

Задачей предполагаемой полезной модели является создание МБТЭ, работающего без питательных веществ, позволяющего повысить устойчивость к токсичному воздействию компонентов сточных вод, используемых в качестве питательных субстратов, источников углерода и энергии, поднять уровень генерируемого электричества в МБТЭ.

Поставленная задача достигается тем, что в микробном биотопливном элементе, содержащем анодную с суспензией микробных клеток и катодную камеры с измерительными электродами, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Micrococcus luteus 1-и.

На Фиг. 1 представлена схематическая конструкция МБТЭ.

Где 1 - анод, 2 - катод, 3 - анодная камера, 4 - катодная камера, 5 - протообменная мембрана.

Внешний вид ячейки биотопливного элемента, используемой в работе, показан на Фиг. 2.

Предложенный МБТЭ в общем виде представляет собой ячейку, имеющую отсек для подсоединения электродов, анодную 3 и катодную камеры 4. Камеры отделены друг от друга протонообменной мембраной 5. Обе камеры оборудованы устройствами для подвода и отвода газа. В анодной камере создавали анаэробные условия. Это достигалось подачей аргона. Барботирование аргоном кроме того обеспечивает перемешивание суспензии и предотвращает оседание микроорганизмов на дно отсека. В качестве суспензии микробных клеток использован штамм Micrococcus luteus 1-й., депонированный в ФГБУН «Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им Г.К. Скрябина Российской академии наук 03.03.2014.

Назначение мембраны - осуществлять однонаправленный перенос протонов, образующихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, из анодной камеры в катодную, и не давать кислороду возможности проходить в обратном направлении. Стенки камер выполнены из органического стекла толщиной 4 мм. Электродами служат ленты из углеродной ткани, размером 25×100 мм, которые погружаются в раствор на глубину 100 мм. Анодная и катодная камеры соединяются посредством окна, закрытого катионообменной мембраной МФ-4СК («Пластполимер», С. - Петербург). Исследования проводят при температуре 28°C. Во внешнюю цепь включают мультиметр ДТ 9208 А с помощью которого выполняют измерение электрических показателей МБТЭ.

Устройство работает следующим образом:

В анодную камеру вносят суспензию микроорганизмов Micrococcus luteus и-1. Катодное пространство заполняют модельной сточной водой. Контролем служат МБТЭ, в анодную и катодную камеру которого не добавляют микроорганизмы.

Все показатели (количество клеток, напряжение, топливного элемента, разрядный ток замеряют сразу и через 8, 10, 24 часов. Снятие разрядных кривых осуществляют при замыкании электродов на постоянную нагрузку.

Воздух со скоростью 1,5 л/ч подают через отверстие диаметром 8 мм в верхней части катодной камеры. В качестве основной среды в анодную и катодную камеры ячейки заливали модельную сточную воду (табл. 1). Ее предварительно автоклавировали при 1 атм и 120°C в течение 30 минут.

Рассчитывали средние арифметические величины (М) и доверительные интервалы. Статистическая обработка результатов проведена с использованием пакета MS Office 2010. Выводы сделаны при вероятности безошибочного прогноза p0,95.

Определение потенциалов в МБТЭ с Micrococcus luteus и-1.

В течение первых 8 часов эксперимента наблюдали рост количества микроорганизмов (с 2,46±0,2×10 ⁵ до 2,73±0,2×10⁶ КОЕ/мл) и электродвижущая сила (ЭДС) (с 47 до 184 mV). В период с 10 до 24 часов эксперимента отмечали изменение общего микробного числа (ОМЧ) (с 2,94±0,2×10 ⁶ до 1,90±0,2×10⁷ КОЕ/мл) и напряжения (с 224 до 500 mV) (Фиг. 3, на которой показано ЭДС и ОМЧ при добавлении штамма Micrococcus luteus 1-й в анодную камеру

Омическое сопротивление 1 кОм. В течение первых суток в ячейке с Micrococcus luteus и-1 наблюдали стабильное ЭДС (0 mV) значение тока (с 32±0,48 mkA). Фиксировали стабильность тока (с 29±0,44 mkA до 30±0,45 mkA). Со вторых на третьи сутки ЭДС составило (27±0,41 mV). Ток за это время составил 24±0,36 mkA. На четвертые сутки ЭДС - 43±0,65 mV. Ток в течение этого времени ток был 39±0,59 mkA (Фиг. 4, на которой показано Напряжение (mV) и разрядный ток (mkA) при инокуляции Micrococcus luteus 1-й

Омическое сопротивление 10 кОм.

На протяжении первых суток в ячейке с Micrococcus luteus и-1 фиксировали изменение ЭДС (с 102±4,8 до 120±7,95 mV). Показатели тока составили (с 9 до 11). Со вторых на третьи сутки ЭДС составило 148±0,41 до 170 mV. Ток за это время составил 14±0,36 до 16 mkA. На четвертые сутки ЭДС соответствовала - 150±0,65 mV. Ток в течение этого времени ток был 14±0,59 mkA (Фиг. 5).

Омическое сопротивление 100 кОм. На протяжении первых суток в ячейке с Micrococcus luteus 1-й на электродах из углеродной ткани фиксировали изменение ЭДС (с 12±4,8 до 13±7,95 mV). Показатели тока - 0. Со вторых на третьи сутки ЭДС на углеродной ткани составило 42±0,41 до 67 mV. На четвертые сутки ЭДС на углеродной ткани соответствовала показателям 104±0,65 mV. Ток в течение этого времени ток составил 5±0,59 mkA (Фиг. 6).

Расчет параметра мощности МБТЭ можно производить по формуле:

P=I·E_БТЭ, где I· - ток, протекающий через нагрузку, E_БТЭ - напряжение на нагрузке. В случае анализа вольт-амперных характеристик (ВАХ) за показатель условной мощности МБТЭ принимается произведение величины тока на значение потенциала (по абсолютной величине), при котором данный ток регистрируется.

При анализе хронопотенциограмм разрядки МБТЭ на нагрузке ток, получаемый в МБТЭ рассчитывается с помощью измеренного потенциала на внешнем сопротивлении.

.

Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании устройства биотопливного типа для выработки электрической энергии на основе штамма Micrococcus luteus и-1, не использовавшегося ранее в аналогичных устройствах.

Технический эффект - повышение выхода электроэнергии и интенсификация утилизации компонентов сточных вод.

Микробный биотопливный элемент, содержащий анодную с суспензией микробных клеток и катодную камеры с измерительными электродами, расположенные в одной емкости и разделенные ионообменной мембраной, отличающийся тем, что в катодной камере предусмотрены отверстия для подачи и вывода воздуха, а в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Micrococcus luteus ВКМ Ac-2637D, депонированный в ФГБУН им. Г.К. Скрябина РАН.

РИСУНКИ