微生物燃料电池——优势或劣势

文摘

微生物燃料电池利用碳水化合物作为燃料的浪费。不利用催化剂的性质或质子交换膜,因此环保处理废物。生物燃料电池将化学能直接转化为电能。他们在光,因为他们在非常温和的条件下如环境温度、压力,廉价的催化剂即微生物或酶。阳极室的细胞使用粪便污泥含有溶解氧和水盐解决方案。阳极和阴极的位置高度影响燃料电池动力性能。有两种类型的微生物燃料电池即调节燃料电池和中介更少的燃料电池。获得最大的功率密度和细胞为4.21 W / m2。研究者也报道介导的燃料电池利用酸奶细菌和亚甲蓝作为中介。最大功率密度超过13 W / m2是生成的。 Enriched anodic biofilms have generated power densities of as high as 6.9 W/m2. A drawback with redox enzymes inMFCs是,他们不能参加与进行直接电子转移支持因此使用中介用于生物催化剂与电极的电气连接。几种方法利用functionalise电极表面有层组成的氧化还原酶,电催化剂和生物催化剂,促进在电极电化学转换接口。微生物要求中介没有电化学表面蛋白转移电子阳极电极。MFC年代不使用中介需要一些更多的碳水化合物的功能。金属还原菌例子Geobacteraceae家人和shewanella属主要用于这种类型的中介更少的燃料电池。

关键字

MFC、金属还原菌、气单胞菌属hydrophilla,中介更少的燃料电池。

介绍

微生物燃料电池(MFC)是一种很有前途的技术,微生物氧化的有机物质用于生产电力[1]。利用微生物细胞的想法为了发电最初构想的十九世纪。m·C·波特是第一个在1911年在这个问题上执行工作。作为一个大学的植物学教授达勒姆波特发电从大肠杆菌在某种程度上。1931年,进一步发现在这个领域有一定的修改是由巴科恩。他创造了一个串联的一半数量的微生物燃料电池产生超过35伏特只有2毫安的电流消耗。Delduca等人在1963年使用的葡萄糖发酵产生的氢butyricum梭状芽胞杆菌的反应物在阳极氢气和空气燃料电池。它被发现是不可靠的,由于不稳定的性质由微生物制氢。当前的设计理念的MFC形成由铃木一年后工作。首先详细研究是由M。J Allen and H. Peter Bennetto from King’s College, London. They saw the fuel cell as a method for generation of electricity for third world countries and thus helped to build an understanding of how fuel cells operate. Microbial fuel cells (MFCs) operate in a galvanic mode: they employ microbial catalysts to extract oxidation current from waste organic matter in the anodic half-cell [2]. It is now know that electricity can be produced directly from degradation of organic matter in a MFC. Biological Fuel Cells (BFCs) use biological catalysts (e.g. microbes, enzymes) for the catalysis of electrochemical reactions [3]. The single-chamber MFC with an air-cathode had great advantage in terms of the structure, power density, and aeration [4]. MFC has both cathode and anode chamber. The working principle of MFC is similar to that of an electrochemical cell. Micro-organisms anaerobically oxidize biomass in the anodic chamber thereby reducing anode [5]. The MFC anode served as the working electrode and the cathode served as both the counter electrode and the reference electrode [6]. The anaerobic anode chamber is connected internally to the cathode chamber by an ion exchange membrane the circuit is complete by an external wire. Literally biological fuel cells are those cells that can produce chemical energy of wastes into usable electrical energy. Therefore they are in trend because of their property of generating electricity that is very much required in this era of globalisation. Biological fuel cells are of two types i.e. microbial fuel cells and enzymatic fuel cells. The Microbial Fuel Cell (MFC) technology can potentially be a part of the bioenergy solution. MFCs are capable of utilizing low-grade organic carbons in various types of wastewater such as municipal and industrial wastewaters as fuels to produce bioelectricity that can offset the energy needed for wastewater treatment [7]. Microbial fuel cells require only ambient temperature, pressure, and microorganisms. MFCs or microbial fuel cells can be further divided into mediator MFCs and mediator less MFCs. Among these mediators less MFCs are superior because of cost effective and absence of undesirable toxic mediators.

mfc电池现在被认为是一个有前途的可持续技术来满足新兴的能源需求特别是利用废水为基质产生能量并完成污水处理。效率和经济可行性将有机废物转化为生物能源取决于废料的特点和组件。不同基质中使用mfc电池醋酸、葡萄糖、木质生物质,垃圾填埋场渗滤液,啤酒厂生物量和淀粉加工生物质、纤维素和甲壳素、染料废水等有机和无机基质。当前在mfc电池是直接相关的生产能力的细菌氧化底物和电子转移导致氧化阳极电极。与醋酸MFC制作的506 mW / m2,但261 mW / m2与猪与国内废水废水和146 mW / m2。产生的最大功率密度似乎与基质的复杂性有关。基质肉类加工废水和蛋白胨包含许多不同的氨基酸和蛋白质生产能力低于通过使用单一化合物与牛血清白蛋白[8]。

在mfc电池工作原理

在mfc电池工作原理与微生物氧化有机物质在阳极室(厌氧条件)生产电子和质子[15]。电子通过外部电路转移到阴极室,电子,质子和电子,承兑人(主要是氧气)结合产生水。一套两室,阳极和阴极室由离子选择性膜允许质子转移从阳极到阴极和防止氧气扩散阴极室。在单室MFC阴极直接暴露在空气中。尽管也有中介mfc电池和中介的mfc电池低,微生物,需要一个中介没有电化学表面蛋白转移电子的阳极电极第16 - 25 []。是否燃料电池是单身文化mfc电池不使用介质仍然需要某种形式的碳水化合物的功能。中介mfc电池相比,中介少mfc电池更重要。中介少mfc电池的例子是海洋环境创建了一个使用不同的海底沉积物燃料电池(25日- 27日)。

介导MFC细胞

大多数微生物细胞电化学。从微生物细胞的转移电子的电极是通过介质如硫堇、甲基紫罗碱,胡敏酸,甲基蓝、中性红等等。大部分的介质可以是昂贵和有毒。因此它被认为是低效率的中介少mfc电池[新]。mfc电池有一对电池终端我。e阳极和阴极电极连接外部电路和电解质溶液导电。因此电压之间的差异所产生的电力是阳极和阴极之间的电气回路。阳极呼吸细菌分解有机废物二氧化碳和转移电子向阳极(33-37)发布。电子从阳极通过电路来产生电能。最后的电子到达阴极,并由氧和氢离子形成水。 Another aspect is that bacteria in the biofilm produce a matrix of material so that they stick to anode which contains proteins, sugars and bacterial cells. It may also contain tiny conducting nanowires to conduct electrons.

non-mediated MFC细胞

一个中介更少的燃料电池不需要中介但是使用电化学细菌转移电子的电极直接转让呼吸酶的细菌。上的一些电化学细菌shewanella putrifaciens和气单胞菌属hydrophilla。有的细菌pilli和能够转移电子通过他们[37-42]。非调节燃料电池还可以工作在水生植物即里德甜草,卢平,大米,绳草,西红柿和藻类。各种治疗过程的目的是去除废水中的污染物在他们对环境安全排放。今天的废物管理的重点是重用和回收的能量,导致新意见如何处理废物管理mfc电池[43-46]。

化学能量涉及生产电能

微生物消耗基质糖和释放在有氧条件下co2和o2。在厌氧条件下它发行有限公司₂质子和电子,[47-50]。

在阳极微生物细胞是最后的终端电子受体。因此微生物活动强烈取决于阳极的氧化还原电势。因此Michealis-Menten曲线可以得到阳极之间潜在的醋酸和功率输出驱动的微生物细胞[51]。

讨论

科学永远不能保持不变的每一个角落发现造福人类。许多杰出的科学家与荣耀了这条道路的结果。讨论的话题MFC也是最近经历的时代发展和未来研究的范围。结果显示不同类型的基质中使用mfc电池其中之一是醋酸。醋酸是一个简单的底物,就是为什么作为碳源诱导电活性细菌(52-55)。另一个事实是,使用它,因为它是惰性气体在室温下发酵和甲烷生成。使用一个有房间的MFC的报道与醋酸506 W / m²,800 mg / L是66%高于生产丁酸305 W / m²,1000 mg / L。醋酸美联储MFC显示最高输出功率72.3%,其次是丙酸36%,丁酸盐43%,葡萄糖15% [55-58]。葡萄糖是另一种常用的基质。据报道,最高功率密度216 w / m³是来自葡萄糖馈料式MFC使用100毫米铁氰化物作为阴极氧化剂。在挡板少室膜MFC,厌氧污泥添加底物非常有限和有限的权力0.3 mW / m²是生成的。然而与葡萄糖在同一个系统最大功率161千瓦/ m²是生成的。ECE(能量转换效率)是42%的醋酸,只有3%葡萄糖,导致较低的电流和功率密度。美联储在最近的一项研究中,葡萄糖生成MFC最低的PE由于电子损失由竞争细菌发酵和甲烷生成[59-60]。

木质纤维原料的丰富和提高农业残留物呈现一种很有前途的原料成本有效的能源生产。不能直接利用微生物多糖如木质生物质在mfc电池发电。所以它必须被转换成mono糖类或其他低分子量化合物。当纤维素为基质用于发电它需要一个微生物群落与纤维素分解和exoelectrogenic活动。PD 69 mw / m2是报道在10毫米使用木糖浓度小于葡萄糖的PD表明木糖比葡萄糖更难以利用发电[61 - 64]。

5月实验室微生物过程微生物燃料电池和微生物电解电池。最近,集团的主要焦点一直在研究微生物专业负责生物催化在嗜热微生物燃料电池。嗜热微生物丰富的社区从查尔斯顿港的泥沙被证明是一个很好的电化学活性细菌的来源。研究这些和其他类似细菌的microbe-electrode交互的特殊利益集团[64 - 68]。

环境生物工程实验室的生物技术研究所,加拿大国家研究理事会是致力于开发高效的微生物电解电池(mec)和微生物燃料电池(mfc电池)通过结合知识领域的数学模型、微生物学和电化学。研究包括non-Pt催化剂的发展,进一步了解微生物动力学,探索各种碳源的潜力在电力和制氢可叠起堆放的mfc电池和mec [68 - 73]。

微生物燃料电池在协作的微流体微/纳米技术和生物能源。它着重于开发可伸缩的微生物燃料电池阵列,使并行分析electricigens,微生物可以直接发电。MFC数组函数作为多个独立的小型MFC电池。微制造技术正用于开发MFC数组,它是一个紧凑的和用户友好的平台的识别和表征电化学并行微生物[73 - 76]。当前MFC数组包含24集成的阳极和阴极室这个函数作为24个独立的微型MFC电池,并支持直接和微生物电化学活动的平行比较。MFC数组显示高度可重复的结果,可以作为一个可靠的高通量筛选工具不同的MFC电池。

微生物燃料电池(mfc电池)尚未商业化但是他们展示伟大的承诺作为一种水处理方法和电源。这些系统目前正在生产的权力有限,高内部电阻(欧姆)。然而,改善系统将导致发电依赖于微生物的功能。细菌群落的多样性,从雄踞在沉积物的主要变形菌门mfc电池社区由α-、β-、-变形菌门、厚壁菌门和无特征克隆其他类型的mfc电池还有很多研究发现这些细菌的生理胞外电子转移的能力,集体定义为一个社区exoelectrogens [77 - 83]。

研究表明,在一个中介更少的燃料电池细菌社区可以增加发电在电子束沉积铂电极。细菌财团的内容上发现电子束(电子束)Pt-deposited电极在mediator-less微生物燃料电池(MFC)使用葡萄糖和谷氨酸作为燃料是这里报道。电子束Pt-deposited电极在电化学活性细菌(EAB)财团是改善mediator-less MFC开发的性能。限制片段长度多态性(RFLP)、变性梯度凝胶电泳(DGGE)和16 s rRNA测序被用来识别电子(EAB)的活性细菌财团(83 - 85)。测序结果表明,克隆ASP-31主导,类似于气单胞菌属hydrophila,和铁(III)减少EAB。γ-proteobacteria群体的系统发育树分析披露存在如属气单胞菌属、克雷伯氏菌oxytoca,肠杆菌asburiae。这些结果表明,MFC电子束Pt-deposited电极的性能与气单胞菌属属财团是由a hydrophila。与电子束Pt-deposited电极气单胞菌属属财团mediator-less MFC,可以增加之间的电子转移效率和electode细菌。据报道从一个潜在的微生物燃料电池Rhodoferax ferrireducens潜在的铁还原微生物,从地下沉积物中分离牡蛎湾,美国弗吉尼亚州。它减少铁(III)在氧化葡萄糖的二氧化碳直接传递电子的石墨电极。 The advantages of using Rhodoferax ferrireducens is that it grows at 4 to 30°C (optimum is 25°C), growth is supported in various substrates like ranging from organic acids to simple carbohydrates, this reducing organism is able to generate 80% of electricity efficiency by oxidization of glucose, a best example of mediator less MFC and finally it can reduce all type of sugar unlike family Geobacteraceae which cannot metabolise sugars [86-88]. The cells in mediator less type of MFCs are grown under strict anaerobic conditions in a bicarbonate-buffered defined medium, under N2/CO2 (80% and 20%, respectively) at 25°C. For growth on Fe(III), 10 mM Fe(III) chelated with nitrilotriacetic acid (FE(III)-NTA) is provided.

Lebone公司解决方案公司是位于剑桥的启动将燃料电池对非洲穷人可以得到更多的帮助,因为他们产生少量的力量不足以负责非洲电子设备让人们像他们现在可以使用它在网格。在非洲的一些地区,少量的能量足够的几个小时在晚上灯光,或者可以给手机充电。这个项目是由哈佛大学alumini和当前来自非洲国家的学生。与哈佛大学全球健康研究所的资助下,成功完成了试点研究团队在坦桑尼亚,在成员带来六种基本微生物燃料电池和教居民如何使用它们通过组织村会议,斯蒂芬Lwendo等人解释了如何使燃料电池。其他从日本先锋都集中在利用微生物燃料电池发电从土壤和废水,可以使用由非洲人光充电手机和小领导(89 - 90,1 - 5)。一个为这个项目筹集的8亿日圆资金规模的新能源和工业技术发展组织(NEDO)。2007年5月,澳大利亚昆士兰大学完成了原型MFC与福斯特啤酒公司。10 L的原型设计可以把啤酒废水变成干净的水,二氧化碳和电力。成功的原型是计划生产660加仑啤酒版本,估计产生2千瓦的电力。虽然是一个微不足道的电力生产的清洁水是至关重要的澳大利亚经历100年来最严重的干旱。

尽管事实mfc电池非常有效的发电和权力也达到初级水平目标至少在小型实验室规模系统,其扩大仍然是一个大问题。阳离子交换膜的高成本相关的潜在的生物燃料和高内阻抑制发电和限制mfc电池的实际应用。光养的mfc电池需要人工照明施加额外的能量作为系统的输入,从而提高成本[91 - 93]。mfc电池的一个主要缺点是不同的启动时间从4到103天根据反应器设计等因素,培养液和电极材料,操作条件如衬底温度、使用和外部载荷。扩大的另一个障碍是缺乏缓冲容量的电解质。也承认,mfc电池的输出功率太低的一些情况。除了成本高的金属催化剂铂等也用于阴极的扩大造成阻碍。露天生物阴极可以作为解决方案和使用non-platinized阴极也建议。使用二氧化锰作为替代在mfc电池阴极催化剂是最近还开发商业化的使用mfc电池(93 - 97)。废水从水果和蔬菜罐头,乳清从畜牧业废弃物和污水都是潜在的mfc电池基板。 The effluent from cane molasses are rich in organic load and produced in enormous volume could be a potential substrate for MFCs. Despite of present slow rate of substrate conversion to electricity in MFCs there can be potential application for microbe-electrode technology such as in the form of implanted medical devices using blood sugar as fuel, microbial transistors, circuits and electronic computing devices. Reactions at the bio anode can be directed towards the production of valuable compound from inexpensive substrates. The organic matter in waste can be used to produce PHB (poly hydroxyl butyrate). Carbon dioxide capture and production of other useful compounds in MFCs is another lucrative approach. It is also used for treatment of recalcitrant compounds at the bio anode or cathode side. MFCs performing de nitrification by microorganisms in the cathode using electrons supplied by microorganisms oxidizing acetate or glucose is also reported [98-100].

结论

它是真正的,在即将到来的年预期的改进技术和更低的成本,更将使用各种基质导致可持续、经济的生物能源。mfc电池中使用的各种基板,目前生产和废物处理虽多,但也有新的基质的生产或使用范围以及改善输出的发电以及废物处理。基质中使用mfc电池都生长在复杂性和力量。几个新基板可以使用MFC下设置ups等从基于糖蜜的酿酒厂废水富含有机质和大量生产,废水与顽固的污染物,大量制药工业废物植物(农业残留物)烧这一刻,等。其他潜在的方法来使用MFC在海水淡化、污染治理、遥感和氢生产。删除盐即海水淡化的过程从海上和微咸水需要大量的外部电力供应,一个MFC可用于海水淡化没有外部电力供应。mfc电池可以用于生成氢的替代燃料。制氢,MFC辅以外部电源,以克服能量势垒的所有有机物质转化为二氧化碳和氢气。标准MFC改变厌氧室和MFC补充0.25伏特的电压。从阴极氢泡沫收集用作燃料来源。该方法生产氢的使用电力,但却很有效率,因为90%以上的细菌产生的质子和电子在阳极变成了氢气。 Hydrogen produced by conventional process consumes 10 times of more energy. MFCs can also run some low power sensors for collecting data from remote areas. For example, scientists have replaced a traditional wireless thermometer in the Palouse River in Washington with one powered by a MFC. Current is generated by placing the anode in the anaerobic sediment of a river or ocean and placing the cathode in the aerobic water right above the sediment. Anaerobic bacteria growing naturally in the sediment produce the small current is used to charge a capacitor to store energy for whenever the sensor needs it. One major advantage of microbial fuel cell in remote sensing over traditional battery is that the bacteria can reproduce, providing the MFC a longer lifetime than traditional batteries. The sensor thus does not require maintenance for years. Another development in the field of utilizing microbial fuel cells is that we can think of power our house with sewage or can charge our pacemaker with household sewage rather than using conventional source of energy as it is not only eco-friendly but also can increase GDP or gross domestic production of a nation. As the whole world is depended on conventional source of energy this field is emerging to be a reusable, nonconventional and renewable and bio friendly source of energy. By combining MFC with electro dialysis one can overcome the drawbacks of MFCs. A current report from Penn state suggests that this concept generated 0.9 kilowatt-hours of electricity per kilogram of organic waste.

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