CN102075113A - 一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微生物燃料电池，具体地说是一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池，包括绿藻培养液的透光阳极池和富含氧气或加入氧化剂溶液的阴极池，两池之间由质子交换膜隔开，阳极和阴极分别固定于阳、阴极池内部；阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，以产氢绿藻为体系绿藻材料，采用间接法产氢调控技术，并在体系中加入电子转移介体，使光合作用产生的电子通过电子传递链在到达氢酶前与电子介体结合，电子介体在阳极电极释放电子并传递至阴极与通过质子交换膜的质子及阳极池氧化剂结合生成水。本发明可以通过微藻光合作用与电池系统的耦合，将光能直接转化为电能，提供了一种新型的生物燃料电池系统。

Description

一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池
技术领域
本发明涉及微生物燃料电池，具体地说是通过微藻光合作用与电池系统的耦合，将光能直接转化为电能的装置，是一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池。
背景技术
绿藻生物燃料电池是利用绿藻通过光合作用将光能直接转化为电能的装置，属于微生物燃料电池技术领域。目前微生物燃料电池均为利用微生物(包括细菌和微藻，如CN1874040左剑恶等人、CN1360677金炳弘等人的专利)将有机物转变为电能，在处于厌氧状态的阳极池中，微生物将底物氧化产生电子，电子被传递到阳极经外电路到达阴极，同时质子通过质子交换膜传递到阴极，在阴极池中氧气或氧化剂与质子和电子结合生成水。R.A.Bullen等人综述文献(Biosensors and Bioelectronics，2006，V21，P2015-2045.)Biofuel cells and their development中引述的有关光合微生物燃料电池的文献涉及的光合微生物为紫色光合细菌Rhodopseudomonas(Rps.)palustris或蓝细菌。
微生物燃料电池仅能利用废水中的有机物质通过分解代谢获得电能，其能量来源是废水中的有机底物，废水的来源以及废水的进料组成难以保证长期稳定，太阳能是作为地球上核能以外能源的最终来源，实现光能在生物燃料电池中的直接转化无疑意义重大。
在间接法绿藻光解水产氢的体系中，系统处于厌氧状态，这与微生物燃料电池的阳极池极为相似，绿藻生物燃料电池就是通过电子介体在微藻生物生化反应部位和电极间往返运送电子，介体分子在细胞内被还原，在燃料电池的阳极上被氧化释放出电子，质子经由质子交换膜扩散至阴极，这样就可以将绿藻间接产氢的光合作用部分与燃料电池耦合起来，形成新型的将光能直接转化为电能的绿藻生物燃料电池系统，这一基于绿藻光合作用产电的装置技术或结果未见文献报导。
发明内容
本发明的目的在于提供一种将绿藻间接产氢的光合作用部分与燃料电池耦合起来，形成新型的将光能直接转化为电能的绿藻生物燃料电池系统，即一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池，包括阳极池和阴极池，阳极池和阴极池之间由质子交换膜隔开，阳极和阴极分别固定于阳、阴极池内部；
所述阳极池为装有绿藻培养液的透光阳极池，阴极池为装有富含氧气的碱性溶液或加入氧化剂溶液的阴极池；
阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，以产氢绿藻为体系绿藻材料，产氢绿藻悬浮于绿藻培养液中，并在绿藻培养液中加入电子介体，使光合作用产生的电子通过电子传递链在到达绿藻氢酶前与电子介体结合，电子介体在阳极电极释放电子并通过电池外电路传递至阴极，在阴极与通过质子交换膜的质子及阳极池内的氧气或氧化剂结合生成水。
本发明通过电子介体在微藻生物生化反应部位和电极间往返运送电子，介体分子在细胞内被还原，在燃料电池的阳极上被氧化释放出电子，质子经由质子交换膜扩散至阴极，这样就可以将绿藻间接产氢的光合作用部分与燃料电池耦合起来，形成新型的将光能直接转化为电能的绿藻生物燃料电池系统。
所述绿藻为海洋绿藻-亚心型扁藻(Platymonas subcordiformis)，采用解偶联剂，于绿藻培养液中添加有解偶联剂，解偶联剂CCCP浓度为7.5～15μM；
所述绿藻为淡水衣藻(Chlamydomonas reinhardtii)，采用无硫调控技术，其采用的绿藻培养液为无硫的绿藻培养基。
所述绿藻培养液为康维方培养基；亚心型扁藻采用康维方营养盐培养，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集悬浮于绿藻培养液中藻细胞浓度400～800万cells/mL；或亚心型扁藻直接高密度培养至藻细胞浓度400～800万cells/mL；
所述绿藻培养液为无硫TAP培养基，淡水莱茵衣藻采用TAP培养基，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集藻细胞，加入无硫TAP培养基中，藻细胞浓度600～800万cells/mL。
所述绿藻培养液使用碳酸氢钠溶液、磷酸缓冲溶液、醋酸钠溶液或Tris-盐酸缓冲溶液调节绿藻培养液pH值为7～8.3。
所述绿藻生物燃料电池的阳极池为透光的光反应器。
所述富含氧气的碱性溶液是指持续通入空气或氧气的5-25wt％氢氧化钾溶液；所述氧化剂溶液是指20-80mM的K3Fe(CN)6溶液。
所述绿藻生物燃料电池的阳极材料为碳布或碳板；所述绿藻生物燃料电池的阴极材料为碳布、碳板、铂电极、碳镀铂电极或氢酶电极。
所述电子介体为甲基紫精、苄基紫精、亚甲基兰、中性红、NADPH或NADP；电子介体于绿藻培养液中的浓度5-50μM。
所述阳极池内的光照强度5000-9000LX，绿藻培养液温度为20-30℃，搅拌速度50-200rpm。
具体操作过程为：
1)亚心型扁藻采用康维方营养盐培养，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集或高密度培养至藻液浓度400～800万cells/mL。淡水莱茵衣藻采用TAP培养基，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集藻细胞，加入无硫培养基中，藻液浓度600～800万cells/mL。
2)取容积为500mL的搅拌式光反应器阳极池，装满步骤1)浓度的扁藻藻液，密封，用氮气置换空气5min，放置到25℃培养箱中暗培养以诱导可逆氢酶，藻液暗诱导时间为4～24h。或取容积为500mL的搅拌式光反应器阳极池，装满步骤1)浓度的衣藻藻液，密封，用氮气置换空气5min，藻液无需暗诱导。
3)解偶联剂调控方法下，暗诱导后，向藻液中加入CCCP至CCCP浓度为7.5～15μM，并加入电子介体甲基紫精(或苄基紫精、亚甲基兰、中性红、NADPH)，并使用碳酸氢钠溶液、磷酸缓冲溶液、醋酸钠溶液或Tris-盐酸缓冲溶液调节藻液pH值为7～8.3，然后由阳极池外的光源光照，由阳极池下部的磁力搅拌器搅拌藻液，使阳极池内的藻液进行光化学反应；光照强度9000LX、150rpm的搅拌速度下搅拌；电子介体浓度5-50μM。
4)无硫调控方法下，向阳极池的衣藻藻液中加入电子介体甲基紫精(或苄基紫精、亚甲基兰、中性红、NADPH)，然后由阳极池外的光源光照，由阳极池下部的磁力搅拌器搅拌藻液，使阳极池内的藻液进行光化学反应；光照强度9000LX、150rpm的搅拌速度下搅拌；电子介体浓度5-50μM。
5)燃料电池阴极池中为20-80mM的K3Fe(CN)6溶液，阴阳电极均为3*7cm的石墨板，电极池间以9cm2的nafion膜隔开，所用电极连线为钛导线。
6)燃料电池的阴极和阳极接到阻值为10-10000欧姆的外电阻两端形成回路，通过测定电路的外电压、燃料电池内阻及开路电压，计算电池的各项指标。
7)由阳极池中取出10μl藻液，注入Water PAM叶绿素荧光仪的测量杯中，再加入3ml无菌海水培养基，混匀后进行测量。通过ΔF/Fm’的变化，反映藻细胞光合系统II的化学活性的变化。
附图说明
图1为本发明所述的绿藻生物燃料电池的结构示意图；
图2为利用本发明的第一个实施例转换光能发电的运行结果；图2a为MFC放电曲线图，图2b为MFC的电流密度与输出功率图，图2c为MFC的外电阻与外电压关系图，图2d为MFC电流密度与电压变化图；
图3为利用本发明的第二个实施例转换光能发电的运行结果；
图4为对比实施例的运行结果。
具体实施方式
结合附图进一步说明本发明的各实施例及其工作过程
实施例1
如图1所示，本发明的第一个实施例所述的绿藻生物燃料电池包括绿藻培养液的透光阳极池1和富含氧气或加入氧化剂溶液的阴极池5，两池之间由质子交换膜4隔开，并由密封垫3进行密封，阳极2和阴极6分别固定于阴阳极池内部；阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，以产氢绿藻为体系绿藻材料，采用间接法产氢调控技术，并在体系中加入电子转移介体，使光合作用产生的电子通过电子传递链在到达氢酶前与电子介体结合，电子介体在阳极电极释放电子并通过导线8及电阻7，传递至阴极与通过质子交换膜的质子及阳极池氧化剂结合生成水。
所述绿藻生物燃料电池的阳极池为透光的光反应器。所述绿藻生物燃料电池的阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，以海洋绿藻-亚心型扁藻(Platymonas subcordiformis)为体系绿藻材料，采用解偶联剂调控技术；阳极池中加入的电子介体为甲基紫精、苄基紫精、亚甲基兰、中性红、NADPH或NADP；绿藻生物燃料电池阴极池为富含氧气的碱性溶液或加入氧化剂溶液的阴极池。所述绿藻生物燃料电池的阴极池与阳极池由质子交换膜隔开，阳极和阴极分别固定于阴阳极池内部。
所述绿藻生物燃料电池的阳极材料为碳布或碳板；所述绿藻生物燃料电池的阴极材料为碳布、碳板、铂电极、碳镀铂电极或氢酶电极；
其工作过程如下：在阳极池中注入浓度600万/ml的亚心型扁藻藻液，密封，用氮气置换空气5min，放置到25℃培养箱中暗培养，藻液暗诱导时间为4～24h。暗诱导后，向藻液中加入CCCP至CCCP浓度为7.5～15μM，并使用碳酸氢钠溶液、磷酸缓冲溶液、醋酸钠溶液或Tris-盐酸缓冲溶液调节藻液pH值为7～8.3，加入10μM电子介体甲基紫精，然后由阳极池外侧的光源光照阳极池，由阳极池下部的磁力搅拌器搅拌藻液，阳极池置于中光照强度9000LX、150rpm的搅拌速度条件下。
解偶联剂调控的扁藻PSII将水分解为氧气、质子和电子，氧气由绿藻消耗维持厌氧条件，电子经由电子传递链在到达氢酶前与电子介体结合，电子介体在阳极电极释放电子并传递至阴极与通过质子交换膜的质子及阳极池氧化剂结合生成水。实现光能到电能的直接转化。
MFC放电曲线图(图2a)显示了在解偶联剂作用下，光合电子确实可被电子介体引出，同时系统中无氢气产生，实现了微藻与燃料电池系统的耦合，证明了基于光合放氢的微藻燃料电池原理的可行性。MFC的外电阻与外电压关系(图2c)、MFC电流密度与电压变化(图2d)及MFC的电流密度与输出功率(图2b)等图则表明可以利用这一系统直接将光能和化学能转化为电能，过程的产电功率密度达到16mW/m2。
实施例2
工作过程如实施例1所述，但在阳极池中加入淡水衣藻藻液，以淡水衣藻为体系绿藻材料，采用无硫调控技术，即采用无硫TAP培养基。其实施效果如图3所示。
对比实施例3：工作过程如实施例1所述，但没有在阳极池中加入电子介体，其实施效果如图4所示。其与实施例1的结果对比见表1。无电子介体情况下，系统基本无电流输出，阳极池有氢气放出。
表1实施例1与对比实施例3结果对比
Figure B2009102200374D0000051

Claims (9)

1.一种基于光合作用产电的绿藻生物燃料电池，包括阳极池和阴极池，阳极池和阴极池之间由质子交换膜隔开，阳极和阴极分别固定于阳、阴极池内部；其特征在于：
所述阳极池为装有绿藻培养液的透光阳极池，阴极池为装有富含氧气的碱性溶液或加入氧化剂溶液的阴极池；
阳极池与空气隔绝，内部为厌氧环境，以产氢绿藻为体系绿藻材料，产氢绿藻悬浮于绿藻培养液中，并在绿藻培养液中加入电子介体，使光合作用产生的电子通过电子传递链在到达绿藻氢酶前与电子介体结合，电子介体在阳极电极释放电子并通过电池外电路传递至阴极，在阴极与通过质子交换膜的质子及阳极池内的氧气或氧化剂结合生成水。
2.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述绿藻为海洋绿藻-亚心型扁藻，于绿藻培养液中添加有解偶联剂，解偶联剂CCCP浓度为7.5～15μM；所述绿藻为淡水衣藻，其采用的绿藻培养液为无硫的绿藻培养基。
3.按照权利要求2所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述绿藻培养液为康维方培养基；
亚心型扁藻采用康维方营养盐培养，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集悬浮于绿藻培养液中藻细胞浓度400～800万cells/mL；或亚心型扁藻直接高密度培养至藻细胞浓度400～800万cells/mL；
所述绿藻培养液为无硫TAP培养基，淡水莱茵衣藻采用TAP培养基，培养到对数生长后期后离心、膜过滤收集藻细胞，加入无硫TAP培养基中，藻细胞浓度600～800万cells/mL。
4.按照权利要求1、2或3所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述绿藻培养液使用碳酸氢钠溶液、磷酸缓冲溶液、醋酸钠溶液或Tris-盐酸缓冲溶液调节绿藻培养液pH值为7～8.3。
5.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述绿藻生物燃料电池的阳极池为透光的光反应器。
6.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述富含氧气的碱性溶液是指持续通入空气或氧气的5-25wt％氢氧化钾溶液；所述氧化剂溶液是指20-80mM的K3Fe(CN)6溶液。
7.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述绿藻生物燃料电池的阳极材料为碳布或碳板；所述绿藻生物燃料电池的阴极材料为碳布、碳板、铂电极、碳镀铂电极或氢酶电极。
8.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述电子介体为甲基紫精、苄基紫精、亚甲基兰、中性红、NADPH或NADP；电子介体于绿藻培养液中的浓度5-50μM。
9.按照权利要求1所述的绿藻生物燃料电池，其特征在于：所述阳极池内的光照强度5000-9000LX，绿藻培养液温度为20-30℃，搅拌速度50-200rpm。
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