一种提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法
【专利摘要】本发明提供的是一种提高微生物燃料电池胞外电子传递和产电性能的方法。在微生物燃料电池中接入产电纯菌，燃料为葡萄糖等有机质，在燃料中添加生物表面活性剂槐糖脂，按照20-80mg/L的浓度加入。这类物质能在小剂量的情况下增强细胞膜的通透性，而对细胞的活性不产生影响，也即降低电子进出细胞内外的阻力，提高微生物燃料电池的电子传递效率，提高电池功率密度约3倍。本发明具有大幅提高产电性能、价格低廉、易于操作的优势。
【专利说明】一种提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于生物能源领域，涉及的是一种改善微生物燃料电池性能的方法，具体的说，是一种提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法。
【背景技术】
[0002]全球能源及环境问题日益严峻，开发新型清洁能源及可再生能源已成为全世界的共识。微生物燃料电池(MFC)技术是一种新的废物处理和能源利用方式，能够直接将生物质转化成电能，具有以下优点:1、条件温和，操作简易，不需要特殊环境；2、底物广泛，环境微生物所能降解的污水等废弃生物质都可以作为MFC的阳极底物；3、清洁能源，将难降解的有机物转化为小分子物质，不产生其他对环境有害的物质。MFC产电过程基本可以概括为:1、阳极的有机物在产电微生物的催化作用下，氧化产生电子和质子；2、产生的电子从产电微生物胞内传递出，到达电池的阳极；3、电子经过电池外电路传递至阴极；4、电子与质子和氧化剂(如氧气)反应生成水。
[0003]然而，微生物燃料电池的发展目前仍然制约于其较低的产电性能，其中最主要的一个瓶颈在于MFC中电子穿梭产电微生物细胞内外的效率。到目前为止的研究表明，电子传递途径有三种:利用纳米导线进行电子传递；利用细胞外膜色素C进行电子传递；利用电子中介体进行电子传递。其中电子穿梭细胞内外主要是以细胞内源产生的或者外源添加的电子中介体为载体，外源添加的中介体有中性红、亚甲基蓝等，但相关研究表明，虽然外源电子中介体的添加很大程度的提高了电池的产电性能，但外源添加的电子中介体具有生物毒性且成本较高，因此我们从内源产生的电子中介体出发，在电池阳极液中添加生物兼容性的表面活性剂-槐糖脂，产电微生物在槐糖脂的作用下，细胞膜通透性增大，降低电子中介体传递阻力，增强了内源产生的电子中介体穿梭细胞内外的速率。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种经济可行，可强化电子从微生物胞内向阳极传递的过程，提高微生物燃料电池的输出功率，提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法。
[0005]为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0006]在微生物燃料电池的燃料中按照20—80mg/L的比例加入生物表面活性剂。
[0007]所述的生物表面活性剂选用槐糖脂，槐糖脂的添加比例为30_50mg/L。
[0008]所述微生物燃料电池的产电微生物是铜绿假单胞菌。
[0009]所述微生物燃料电池是由器体、阳极、阴极构成的微生物燃料电池，所述的阳极为碳纸、碳租、碳布、碳纳米管、板状石墨或泡沫金属中的一种，所述的阴极为碳纸、碳租、碳布、碳纳米管、板状石墨、活性炭、泡沫金属或气体电极中的一种。
[0010]所述阴极中含有Pt/C催化剂。[0011]所述容器为任何形状的单室或者双室微生物燃料电池容器。
[0012]本发明在电池的燃料中加入适量(20_80mg/L)的生物表面活性剂如槐糖脂，这类物质在小剂量的情况下能够增加微生物细胞膜的通透性，且对细胞的活性无影响。这样能够降低电子中介体传递阻力，使电子中介体快速穿梭细胞膜，提高电子的传递速率，增加MFC产电性能。当加入的生物表面活性剂选用槐糖脂时，槐糖脂为30-50mg/L，微生物燃料电池的最大输出功率提高约3倍，同时铜绿假单胞菌的细胞膜通透性有明显增加。
[0013]有益效果:
[0014]本发明适用于单室、双室等各种构型的微生物燃料电池的产电性能的提高。
[0015]本发明是通过增加细胞膜的通透性来实现电子中介体快速穿梭细胞膜，提高微生物燃料电池输出功率的一种方法。
[0016]本发明加入的生物表面活性剂如槐糖脂与外源加入电子中介体来提高电子传递速率的方法相比，具有输出功率高、价格低廉、生物兼容性高、易于实现的优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明微生物燃料电池的产电原理示意图，其中I为进气、进样孔，2为出气、取样孔，3为产电微生物，4为电池阳极,5为电池反应器器室,6为电池阴极；
[0018]图2为本发明微生物燃料电池的极化和功率密度曲线；
[0019]图3为本发明加入槐糖脂后，铜绿假单胞菌细胞膜通透性的表征。
【具体实施方式】
[0020]下面通过具体实施例对本发明所述的技术方案给予进一步详细的说明:
[0021]本发明构建了一方形反应器即单室无膜空气阴极微生物燃料电池，结合图1，本发明的电池组成包括反应器器室5，将电池产电微生物3加入5，阴极6和阳极4分别置于器室的两侧。阳极材料采用碳布，阴极采用含有Pt/C催化剂的空气阴极，两极间距为2-3cm。反应器上端有进样孔I和取样孔2，两口都有密封塞，两极间通过导线连接，并与外电路负载组成闭合电路，负载范围为I?10ΚΩ，电池的电压由万用表定时采集记录。本发明电池反应室为厌氧环境。
[0022]实施例1:
[0023]在电池反应器阳极室(电极距离3cm)中接种铜绿假单胞菌液，以含有40mg/L槐糖脂的葡萄糖营养液进行电池的培养，在电压降至20mV以下时更换新鲜的阳极燃料，如此进行多个周期的循环运行；当本发明电池有足够的底物并具处于稳定的产电状态的时候，改变外接负载电(I?10ΚΩ)，稳定后记录电压，计算电池的电流密度和功率密度，并绘制得到微生物燃料电池的极化曲线和功率密度曲线，其结果见图2。由极化曲线线性区域拟合可知，含有40mg/L槐糖脂的微生物燃料电池的表观内阻比未加入槐糖脂的微生物燃料电池表观内阻降低一半。计算功率密度可知，含40mg/L槐糖脂的微生物燃料电池的最大输出功率密度为15.8mW/m2，而不含槐糖脂的微生物燃料电池最大输出功率密度为6.2mW/m2。据此得出结论:槐糖脂的添加降低了电子的传质阻力，增加电子传递速率，电池内阻降低约一半，提高电池功率密度约3倍。
[0024]实施例2:[0025]本发明中经生物表面活性剂-槐糖脂处理过的产电菌-铜绿假单胞菌、未处理过的铜绿假单胞菌及相关试剂，分别使用荧光分光光度计对细胞膜通透性进行表征，荧光分光光度计的激发波长为355nm，测试结果见图3。由图3可知，铜绿假单胞菌在槐糖脂的存在下，细胞膜通透性有很大的提高，明确的验证了槐糖脂的添加增加了铜绿假单胞菌的细胞膜通透性，从而增加了电子中介体穿梭细胞的速率，也即提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率，进而提高产电性能。
[0026]以上研究表明，本发明提供的这种提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的新方法可以大幅的提高电池的产电性能，与加入外源电子中介体来提高电子传递效率的方法相比，具有输出功率高、价格低廉、生物兼容性高、易于实现的优势。
【权利要求】
1.一种提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:在微生物燃料电池的燃料中按照20-80mg/L的比例加入生物表面活性剂。
2.根据权利要求1所述的提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:所述的生物表面活性剂选用槐糖脂，槐糖脂添加比例为30-50mg/L。
3.根据权利要求2所述的提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:所述微生物燃料电池的产电微生物是铜绿假单胞菌。
4.根据权利要求3所述的提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:所述微生物燃料电池是由器体、阳极、阴极构成的微生物燃料电池，所述的阳极为碳纸、碳毡、碳布、碳纳米管、板状石墨或泡沫金属中的一种，所述的阴极为碳纸、碳毡、碳布、碳纳米管、板状石墨、活性炭、泡沫金属或气体电极中的一种。
5.根据权利要求4所述的提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:所述阴极中含有Pt/C催化剂。
6.根据权利要求5所述的提高微生物燃料电池细胞内外电子传递效率和产电性能的方法，其特征是:所述器体为任何形状的双室或者单室微生物燃料电池容器。
【文档编号】H01M8/04GK103811785SQ201410078810
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月6日 优先权日:2014年3月6日
【发明者】郑涛, 沈海波, 雍晓雨, 周俊, 雍阳春, 王舒雅, 高阳 申请人:南京工业大学