银杉DETA微生物燃料电池

微生物燃料电池（MFCs）供给了从可生物降解的、复原的化合物中保持能量发生的新时机。MFCs可以运用不同的碳水化合物，一同也可以运用废水中含有的各种杂乱物质。关于它所触及的能量代谢进程，以及细菌运用阳极作为电子受体的实质，现在都只要极其有限的信息；还没有树立关于其间电子传递机制的明晰理论。倘若要优化并完整的开展MFCs的产能理论，这些常识都是有必要的。依据MFC作业的参数，细菌运用着不同的代谢通路。这也决议了如何挑选特定的微生物及其对应的不同的功能。在此，咱们将评论细菌是如何运用阳极作为电子传递的受体，以及它们产能输出的能力。对MFC技能的点评是在与现在其它的产能途径比较下作出的。 微生物燃料电池并不是新兴的东西，运用微生物作为电池中的催化剂这一概念从上个世纪70年代就已存在，并且运用微生物燃料电池处理家庭污水的设想也于1991年实现。可是，经过提高能量输出的微生物燃料电池则是重生的，为这一事物的实践使用供给了或许的时机。 MFCs将可以被生物降解的物质中可运用的能量直接转化成为电能。要达到这一意图，只需求使细菌从运用它的天然电子传递受体，例如氧或许氮，转化为运用不溶性的受体，比方MFC的阳极。这一转化可以经过运用膜联组分或许可溶性电子络绎体来实现。然后电子经由一个电阻器流向阴极，在那里电子受体被复原。与厌氧性消化效果比较，MFC能发生电流，并且生成了以二氧化碳为主的废气。 与现有的其它运用有机物产能的技能比较，MFCs具有操作上和功能上的优势。首先它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化功率。其次，不同于现有的所有生物能处理，MFCs在常温，乃至是低温的环境条件下都可以有用运作。第三，MFC不需求进行废气处理，因为它所发生的废气的首要组分是二氧化碳，一般条件下不具有可再运用的能量。第四，MFCs不需求能量输入，因为仅需通风就可以被动的弥补阴极气体。第五，在缺乏电力基础设施的局部地区，MFCs具有广泛使用的潜力，一同也扩展了用来满意咱们对动力需求的燃料的多样性。 微生物燃料电池中的代谢 为了衡量细菌的发电能力，控制微生物电子和质子流的代谢途径必需求确认下来。除掉底物的影响之外，电池阳极的势能也将决议细菌的代谢。添加MFC的电流会下降阳极电势，导致细菌将电子传递给更具复原性的复合物。因而阳极电势将决议细菌最终电子络绎的氧化复原电势，一同也决议了代谢的类型。依据阳极势能的不同可以区分一些不同的代谢途径：高氧化复原氧化代谢，中氧化复原到低氧化复原的代谢，以及发酵。因而，现在报导过的MFCs中的生物从好氧型、兼性厌氧型到严厉厌氧型的都有分布。 在高阳极电势的状况下，细菌在氧化代谢时可以运用呼吸链。电子及其相随同的质子传递需求经过NADH脱氢酶、泛醌、辅酶Q或细胞色素。Kim等研讨了这条通路的运用状况。他们观察到MFC中电流的发生可以被多种电子呼吸链的抑制剂所阻断。在他们所运用的MFC中，电子传递体系运用NADH脱氢酶，Fe/S（铁/硫）蛋白以及醌作为电子载体，而不运用电子传递链的2号位点或许末端氧化酶。一般观察到，在MFCs的传递进程中需求运用氧化磷酸化效果，导致其能量转化功率高达65%。常见的实例包含假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa），微肠球菌（Enterococcusfaecium）以及Rhodoferaxferrireducens。 假如存在其它可替代的电子受体，如硫酸盐，会导致阳极电势下降，电子则易于堆积在这些组分上。当运用厌氧淤泥作为接种体时，可以重复性的观察到沼气的发生，提示在这种状况下细菌并未运用阳极。假如没有硫酸盐、硝酸盐或许其它电子受体的存在，假如阳极继续保持低电势则发酵就成为此刻的首要代谢进程。例如，在葡萄糖的发酵进程中，触及到的或许的反应是：C6H12O6+2H2O=4H2+2CO2+2C2H4O2或6H12O6=2H2+2CO2+C4H8O2。它标明，从理论上说，六碳底物中最多有三分之一的电子可以用来发生电流，而其它三分之二的电子则保存在发生的发酵产物中，如乙酸和丁酸盐。总电子量的三分之一用来发电的原因在于氢化酶的性质，它一般运用这些电子发生氢气，氢化酶一般位于膜的外表以便于与膜外的可活动的电子络绎体相接触，或许直接接触在电极上。同重复观察到的现象共同，这一代谢类型也预示着高的乙酸和丁酸盐的发生。一些已知的制作发酵产物的微生物分属于以下几类：梭菌属（Clostridium），产碱菌（Alcaligenes），肠球菌（Enterococcus），都现已从MFCs中分离出来。此外，在独立发酵实验中，观察到在无氧条件下MFC富集培育时，有丰富的氢气发生，这一现象也进一步的支持和验证这一通路。 发酵的产物，如乙酸，在低阳极电势的状况下也可以被比如泥菌属等厌氧菌氧化，它们可以在MFC的环境中夺取乙酸中的电子。 代谢途径的差异与已观测到的氧化复原电势的数据一同，为咱们一窥微生物电动力学供给了一个深入的窗口。一个在外部电阻很低的状况下运转的MFC，在刚开始在生物量堆集时期只发生很低的电流，因而具有高的阳极电势（即低的MFC电池电势）。这是关于兼性好氧菌和厌氧菌的挑选的成果。经过培育成长，它的代谢转化率，体现为电流水平，将升高。所发生的这种适中的阳极电势水平将有利于那些习惯低氧化的兼性厌氧微生物成长。可是此刻，专性厌氧型微生物仍然会受到阳极仓内存在的氧化电势，一同也或许受到跨膜渗透过来的氧气影响，而处于成长受抑的状态。假如外部运用高电阻时，阳极电势将会变低，乃至只保持微弱的电流水平。在那种状况下，将只能挑选习惯低氧化的兼性厌氧微生物以及专性厌氧微生物，使对细菌品种的挑选的或许性被局限了。 MFC中的阳极电子传递机制 电子向电极的传递需求一个物理性的传递体系以完结电池外部的电子搬运。这一意图既可以经过运用可溶性的电子络绎体，也可以经过膜结合的电子络绎复合体。 氧化性的、膜结合的电子传递被以为是经过组成呼吸链的复合体完结的。已知细菌运用这一通路的例子有Geobactermetallireducens、嗜水气单胞菌（Aeromonashydrophila）以及Rhodoferaxferrireducens。决议一个组分是否能发挥类似电子门控通道的首要要求在于，它的原子空间结构相位的易挨近性（即物理上能与电子供体和受体发生彼此效果）。门控的势能与阳极的凹凸联系则将决议实践上是否可以运用这一门控（电子不能传递给一个更复原的电极）。 MFCs中判定出的许多发酵性的微生物都具有某一种氢化酶，例如布氏梭菌和微肠球菌。氢化酶或许直接参加了电子向电极的搬运进程。最近，这一关于电子传递办法的设想由McKinlay和Zeikus提出，可是它有必要结合可移动的氧化络绎体。它们展示了氢化酶在复原细菌外表的中性红的进程中扮演了某一人物。 细菌可以运用可溶性的组分将电子从一个细胞（内）的化合物搬运到电极的外表，一同随同着这一化合物的氧化。在许多研讨中，都向反应器中添加氧化型中心体比方中性红，劳氏紫（thionin）和甲基紫萝碱（viologen）。经历标明这些中心体的添加一般都是很关键的。可是，细菌也可以自己制作这些氧化中心体，经过两种途径：经过制作有机的、可以被可逆的复原化合物（次级代谢物），和经过制作可以被氧化的代谢中心物（初级代谢物）。 第一种途径体现在许多品种的细菌中，例如腐败谢瓦纳拉菌（Shewanellaputrefaciens）以及铜绿假单胞菌（Pseudomonasaeruginosa）。近期的研讨标明这些微生物的代谢中心物影响着MFCs的功能，乃至遍及干扰了胞外电子的传递进程。失活铜绿假单胞菌的MFC中的这些与代谢中心体发生相关的基因，可以将发生的电流独自下降到本来的二十分之一。由一种细菌制作的氧化型代谢中心体也可以被其他品种的细菌在向电极传递电子的进程中所运用。 经过第二种途径细菌可以制作复原型的代谢中心体——但仍是需求运用初级代谢中心物——运用代谢中心物如Ha或许HgS作为前言。Schroder等运用E.coliK12发生氢气，并将浸泡在生物反应器中的由聚苯胺保护的铂催化电极处进行再氧化。经过这种办法他们获得了高达1.5mA/cm2（A，安培）的电流密度，这在之前是做不到。类似的，Straub和Schink发表了运用Sulfurospirillumdeleyianum将硫复原至硫化物，然后再由铁重氧化为氧化程度更高的中心物。点评MFCs功能的参数 运用微生物燃料电池发生的功率巨细依赖于生物和电化学这两方面的进程。 底物转化的速率 受到如下要素的影响，包含细菌细胞的总量，反应器中混合和质量传递的现象，细菌的动力学（p-max——细菌的种属特异性最大成长速率，Ks——细菌关于底物的亲和常数），生物量的有机负荷速率（每天每克生物量中的底物克数），质子转运中的质子跨膜功率，以及MFC的总电势。 阳极的超极化 一般而言，丈量MFCs的开放电路电势（OCP）的值从750mV~798mV。影响超极化的参数包含电极外表，电极的电化学性质，电极电势，电极动力学以及MFC中电子传递和电流的机制。 阴极的超极化 与在阳极观测到的现象类似，阴极也具有明显的电势丢失。为了纠正这一点，一些研讨者们运用了赤血盐（hexacyanoferrate）溶液。可是，赤血盐并不是被空气中的氧气完全重氧化的，所以应该以为它是一个电子受体更甚于作为前言。假如要达到可继续状态，MFC阴极最好是开放性的阴极。 质子跨膜转运的功能 现在大部分的MFCs研讨都运用Nafion—质子转化膜（PEMs）。可是，Nafion—膜关于（生物）污染是很灵敏的，例如铵。而现在最好的成果来自于运用Ultrex阳离子交流膜。Liu等不用运用膜，而转用碳纸作为隔离物。尽管这样做明显下降了MFC的内涵电阻，可是，在有阳极电解液组分存在的状况下，这一类型的隔离物会影响阴极电极的成长，并且关于阴极的催化剂具有毒性。并且现在尚没有可信的，关于这些碳纸-阴极体系在一段时期而不是短短几天内的稳定性方面的数据。 MFC的内涵电阻 这一参数既依赖于电极之间的电解液的电阻值，也决议于膜电阻的阻值（Nafion—具有最低的电阻）。关于最优化的运转条件，阳极和阴极需求尽或许的彼此挨近。尽管质子的迁移会明显的影响与电阻相关的丢失，可是充分的混合将使这些丢失最小化。 功能的相关数据 在平均阳极外表的功率和平均MFC反应器容积单位的功率之间，存在着明显的差异。表2供给了现在为止报导过的与MFCs相关的最重要的的成果。大部分的研讨成果都以电极外表的mA/m以及mW/m2两种方式表示功率输出的值，是依据传统的催化燃料电池的描绘格局衍生而来的。其间后一种格局关于描绘化学燃料电池而言或许现已是充分的，可是MFCs与化学燃料电池具有实质上的差异，因为它所运用的催化剂（细菌）具有特别的条件要求，并且占有了反应器中特定的体积，因而削减了其间的自由空间和孔隙的巨细。每一个研讨都参照了以下参数的特定的组合：包含反应器容积、质子交流膜、电解液、有机负荷速率以及阳极外表。但仅从这一点出发要对这些数据作出横向比较很困难。从技能的视点来看，以阳极仓内容积（液体）所发生的瓦特/立方米（Watts/m3）为单位的方式，作为反应器的功能比较的一个基准仍是有协助的。这一单位使咱们可以横向比较所有测试过的反应器，并且不仅仅局限于已有的研讨，还可以拓宽到其它已知的生物转化技能。 此外，在反应器的库仑功率和能量功率之间也存在着明显的差异。库仑功率是根据底物实践传递的电子的总量与理论上底物应该传递的电子的总量之间的比值来核算。能量功率也是电子传递的能量的提示，并结合考虑了电压和电流。如表2中所见，MFC中的电流和功率之间的联系并非总是明确的。需求着重的是在特定电势的条件下电子的传递速率，以及操作参数，比如电阻的调整。假如归纳考虑这些参数的问题的话，必需求确认是最大库仑功率（如关于废水处理）仍是最大能量功率（如关于小型电池）才是最终目标。现在观测到的电极外表功率输出从mW/m2~w/m2都有分布。 优化 生物优化提示咱们应该挑选适宜的细菌组合，以及促使细菌习惯反应器内优化过的环境条件。尽管对细菌种子的挑选将很大程度上决议细菌增殖的速率，可是它并不决议这一进程发生的最终结构。运用混合的厌氧-好氧型淤泥接种，并以葡萄糖作为营养源，可以观察到经过三个月的微生物习惯和挑选之后，细菌在将底物转化为电流的速率上有7倍的增长。假如供给更大的阳极外表供细菌成长的话，增长会更快。 批处理体系使可以制作可溶性的氧化型中心体的微生物的堆集成为了或许。继续的体系性挑选能形成生物被膜的品种，它们或许可以直接的成长在电极上，或许可以经过生物被膜的基质运用可移动的络绎分子来传递电子。 经过向批次处理的阳极中参加可溶性的氧化中心体也能达到技能上的优化：MFCs中参加氧化型代谢中心体可以继续的改善电子传递。对这些代谢中心体的挑选到现在为止还仅仅是出于经历性的，并且一般只要低的中心体电势，在数值约为300mV或许复原性更高的时分，才以为是值得考虑的。应该挑选那些具有足够高的电势的氧化中心体，才可以使细菌关于电极而言具有足够高的流转速率，一同还需参阅是以高库仑功率仍是以高能量功率为首要目标。 一些研讨作业者们现已开发了改进型的阳极材料，是经过将化学催化剂渗透进原始材料制成的。Park和Zeikus运用锰修饰过的高岭土电极，发生了高达788mW/m2的输出功率。而添加阳极的特别外表将导致发生更低的电流密度（因而反过来下降了活化超极化）和更多的生物薄膜外表。可是，这种办法存在一个明显的局限，细小的孔洞很简单被被细菌敏捷堵塞。被切断食物供给的细菌会逝世，因而在它溶解前反而下降了电极的活化外表。总归，下降活化超极化和内源性电阻值将是影响功率输出的最首要要素。 IVIFC：支柱性核心技能 污物驱动的使用在于可以明显的移除废弃的底物。现在，运用传统的好氧处理时，氧化每千克碳水化合物就需求耗费1kWh的能量。例如，生活污水的处理每立方米需求耗费0.5kWh的能量，折算后在这一项上每人每年需求耗费的动力约为30kWh。为了解决这一问题，需求开发一些技能，特别是针对高强度的废水。在这一范畴中常用的是UpflowAnaerobicSludgeBlanket反应器，它发生沼气，特别是在处理浓缩的工业废水时。UASB反应器一般以每立方米反应器每天10~20kg化学需氧量的负荷速率处理高度可降解性的废水，并且具有（带有一个焚烧引擎作为转化器）35%的总电力功率，意味着反应器功率输出为0.5~1kW/m3。它的功率首要决议于焚烧沼气时丢失的能量。未来假如开展了比现有的能更有用的氧化沼气的化学染料电池的话，很或许可以获得更高的功率。 可以转化具有活跃市场价值的某种定性底物的电池，比如葡萄糖，将以具有高能量功率作为首要目标。尽管MFCs的功率密度与比如甲醇驱动的FCs比较是适当低的，可是关于这项技能而言，以底物安全性为代表的多功能性是它的一个重要优势。 全面的看，作为一种参阅，以高速率的厌氧消化手法从生物量中重获能量的资本开销约为安装每百万瓦生产量花费100万瓦。后一数值也相同适用于经过传统的焚烧途径、风力涡轮机以及化学染料电池等办法运用化石燃料产能。因而这一手法也处于竞争之地。何况现在，微生物燃料电池尚未达到这一水准的功率输出。负荷速率为每天每立方米反应器0.1~10kg的化学需氧量时，可以以为实践上能达到的功率输出在0.01~1.25kW/m3之间。可是，关于好氧的处理进程，观察到的成长速率为耗费每克有机底物发生0.4克生物量生成，而关于厌氧发酵发生沼气的进程这一速率理论上仅为0.077。根据MFC进程的实质，其产量应该介于这两种代谢类型之间。观察到的以葡萄糖饲喂的MFCs的成长速率在0.07~0.22之间。由于废水处理设备中淤泥处理的花费多达每吨干物质500，这一数量的削减关于该进程的经济平衡具有重要的提示含义。 有用的规划和操作可以发明一种技能平台，可以在多种范畴运用而不需求进行实质上的修正。除却经济方面，MFCs现已展示了支柱性的核心技能的姿态。它们在低的和适中的温度下能有用的发生能量并转化一系列的电子供体，乃至即使电子供体仅以低浓度存在。在这些方面现在还没有可以与之相媲美的其他已知技能。