CN112838254B - 一种电解快速驯化生物阳极的方法 - Google Patents

一种电解快速驯化生物阳极的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，属于微生物电化学技术领域。本发明采用两阶段电压驯化周期(初始驯化周期和稳定驯化周期)的方法，利用电解电流监控反馈生物阳极活性，并通过快速置换阳极培养液维持生物阳极产电活性持续增长，可以实现在初始驯化周期和稳定驯化周期两个阶段，例如6～10个驯化周期内快速得到高产电活性的生物阳极。

Description

一种电解快速驯化生物阳极的方法
技术领域
本发明涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，属于微生物电化学技术领域。
背景技术
微生物电化学系统是利用产电微生物与电极之间的电子传递机制，以微生物作为电极催化剂构建形成的微生物电催化反应系统。微生物电化学系统是一个崭新且富有挑战性的领域，在资源和能源回收以及环境污染修复等方面已经日渐展现出其独有的特色和吸引力。微生物电化学系统包含微生物学、电化学、过程工艺学等复杂过程，尽管不断有新的发现和认识被报道，但是迄今为止对微生物电化学系统的认知还不甚完整，大量关键科学与技术问题还有待解决。
生物阳极是微生物电化学系统的核心之一，生物阳极的产电活性直接影响系统的反应速率。然而，目前普遍存在生物阳极驯化时间长，产电活性低的问题。
发明内容
为改善上述技术问题，本发明提供一种电解快速驯化生物阳极的方法，包括如下步骤：
A)配置阳极培养液，并连接生物阳极、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，采用恒压电流模式开始第1驯化周期；
B)当电流监控元件监测第1驯化周期的电解电流值降低时，断开电路并更换生物阳极培养液，调节恒压电源的电压开始第2驯化周期；
C)完成步骤B)后，再重复操作步骤B)3次，完成初始驯化周期；
D)在完成步骤C)的基础上，再根据所需的产电能力，重复操作步骤B)n次，完成稳定驯化周期。
根据本发明的实施方案，步骤A)中所述阳极培养液的化学需氧量浓度为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液使用的溶剂为水。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液的体积为生物阳极电极体积的2～7倍，例如3～6倍。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，所述阳极培养液的配方为80～100mmol/L PBS缓冲液(磷酸根离子浓度)、10～15mL/L营养盐、20～30μL/L维生素液、0.77～1.28g/L有机底物，例如所述阳极培养液的配方为100mmol/L PBS缓冲液(磷酸根离子浓度)、12.5mL/L营养盐、25μL/L维生素液、0.77～1.28g/L乙酸钠组成。
根据本发明的实施方案，所述PBS缓冲液配方为NH4Cl 0.62g/L，NaH2PO4·2H2O5.54g/L，Na2HPO4·12H2O 23.08g/L，KCl 0.26g/L。
根据本发明的实施方案，所述营养盐配方为EDTA 2.0～2.5g/L，MgSO4·7H2O 6.0～6.2g/L，MnSO4·H2O 0.45～0.55g/L，NaCl 0.9～1.0g/L，FeSO4·7H2O 0.09～0.1g/L，CaCl2 0.07～0.08g/L，CoCl2·6H2O 0.09～0.1g/L，ZnCl2 0.12～0.13g/L，CuSO4·5H2O0.009～0.012g/L，KAl(SO4)2·12H2O 0.009～0.012g/L，H3BO3 0.009～0.012g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02～0.025g/L，NiCl2·6H2O 0.02～0.025g/L，Na2WO4·2H2O 0.02～0.025g/L。
根据本发明的实施方案，所述维生素液配方为生物素0.0015～0.002g/L，叶酸0.0015～0.002g/L，维生素B6 0.005～0.01g/L，核黄素0.005～0.01g/L，维生素B1 0.005～0.006g/L，烟酸0.005～0.006g/L，泛酸0.005～0.006g/L，维生素B12 0.0001～0.0002g/L，4-氨基苯甲酸0.005～0.006g/L，硫辛酸0.005～0.006g/L。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，所述生物阳极为接种微生物电解池、微生物燃料电池等微生物电化学反应器中的产电生物阳极电极的碳毡、碳布、碳纸、或碳纤维刷。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，所述化学阴极为负载有0.4～1.6mg/cm2Pt催化剂的碳布、碳纸、钛板等基底材料，如负载0.5～1.0mg/cm2 Pt催化剂的碳布、碳纸或钛板。
根据本发明的实施方案，步骤A)中，恒压电源采用的电解电压为0.3V～0.9V，例如0.4V～0.8V。
根据本发明的实施方案，步骤B)中，当电解电流值下降，且所测电流值为第1驯化周期中最高电流值的80％～95％时断开电路。
根据本发明的实施方案，步骤B)中，所述阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。
根据本发明的实施方案，步骤B)中，所述恒压电源的电压不小于第1驯化周期的电压，例如步骤B)中恒压电源的电压比步骤A)中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。
根据本发明的实施方案，步骤B)中，更换所述阳极培养液的时间为1～30min，例如2～20min，如3～15min。
根据本发明的实施方案，步骤C)中，重复操作过程中每一驯化周期恒压电源的电压不小于上一周期的电压，例如第4驯化周期中恒压电源的电压比第3驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V；且第5驯化周期中恒压电源的电压比第4驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。
根据本发明的实施方案，步骤C)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。
根据本发明的实施方案，步骤D)中，n为大于1的整数，例如1～4的整数。
根据本发明的实施方案，步骤D)中，当n为1时，第6驯化周期的电压不小于上一周期，例如比第5驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V。
根据本发明的实施方案，步骤D)中，当n为2以上的数时，第6驯化周期的电压不小于上一周期，例如比第5驯化周期中的电压高0-0.3V，例如高0-0.2V，如高0-0.1V，且第6周期和后面的周期的电压相同。
根据本发明的实施方案，步骤D)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)或C)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L，例如650～900mg/L。
本申请中阳极培养液的化学需氧量可以根据有机底物如乙酸钠的浓度来调节。当需使用不同化学需氧量的阳极培养液时，可以仅通过调整有机底物如乙酸钠的浓度来获得所需化学需氧量的阳极培养液。
本发明还提供如上所述方法获得的微生物电极或微生物电化学反应器。
有益效果
本发明涉及一种电解快速驯化生物阳极的方法，本发明采用两阶段电压驯化周期(初始驯化周期和稳定驯化周期)的方法，利用电解电流监控反馈生物阳极活性，并通过快速置换阳极培养液维持生物阳极产电活性持续增长，可以实现在初始驯化周期和稳定驯化周期两个阶段，例如6～10个驯化周期内快速得到高产电活性的生物阳极。具体表现如下：
1.本发明的方法通过固定阳极材料(每次更换的培养液化学需氧量固定在600～1000mg/L)，梯度电解电压刺激(先用低电压电解使微生物菌种适应产电环境，再逐渐提高电压筛选高活性微生物，和在电流值达到最高稳定值后出现快速降低时更换培养液(此时产电微生物将逐渐进入衰退期，更换培养液可以补充营养底物，使产电微生物保持类似对数增长期)，采用恒压电解模式培养生物阳极，促进阳极微生物的产电功能，有利于产电功能强的菌种成为优势菌种，并不断强化和/或富集。
2.本发明采用两阶段电压驯化周期的方法，使微生物在初始驯化周期逐步适应电解培养环境，随着电解电压的升高对菌种进行初步的筛选。然后在稳定的高电解电压下对生物阳极进行快速驯化。
3.本发明利用电流值反馈生物阳极的产电能力，当电流值经过稳定平台后出现持续降低现象时，即反映生物阳极的产电能力开始出现衰退。此时快速置换阳极培养液可以将与阳极附着作用弱的游离菌种筛除，并补充新鲜培养液，使生物阳极保持高产电能力，从而实现快速驯化高产电活性生物阳极。
4.本发明控制阳极培养液化学需氧量浓度和培养液体积，可以控制每一周期的培养时间，同时维持生物阳极的有效负荷，大幅缩短驯化周期。
附图说明
图1为实施例1生物阳极驯化过程表征图。
图2为实施例1生物阳极驯化后形貌图(插入图为未经驯化的生物阳极)
图3为实施例2驯化过程中的最高电流密度图。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
如下实施例中“稳定平台电流”是指稳定的最高电流值。
实施例1：
电解快速驯化生物阳极过程如下：
步骤1：以水为溶剂配置化学需氧量为800mg/L的阳极培养液64mL(阳极培养液由100mmol/L PBS缓冲液(磷酸根离子浓度)、12.5mL/L营养盐、25μL/L维生素液、有机底物乙酸钠组成。所述PBS缓冲液配方为NH4Cl 0.62g/L，NaH2PO4·2H2O 5.54g/L，Na2HPO4·12H2O23.08g/L，KCl 0.26g/L。所述营养盐配方为EDTA 2.3g/L，MgSO4·7H2O 6.15g/L，MnSO4·H2O 0.5g/L，NaCl 1g/L，FeSO4·7H2O 0.1g/L，CaCl2 0.076g/L，CoCl2·6H2O 0.1g/L，ZnCl20.13g/L，CuSO4·5H2O 0.01g/L，KAl(SO4)2·12H2O 0.01g/L，H3BO3 0.01g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.022g/L，NiCl2·6H2O 0.024g/L，Na2WO4·2H2O 0.025g/L。所述维生素液配方为生物素0.002g/L，叶酸0.002g/L，维生素B6 0.01g/L，核黄素0.005g/L，维生素B1 0.005g/L，烟酸0.005g/L，泛酸0.005g/L，维生素B12 0.0001g/L，4-氨基苯甲酸0.005g/L，硫辛酸0.005g/L。乙酸钠的用量为1.0256g/L)，依次连接体积为14mL的生物阳极碳毡(其中接种2mL微生物燃料电池中的产电生物阳极电极)、恒压电源、电流监控元件和化学阴极(负载0.5mg/cm2 Pt催化剂的碳布)构成微生物电解池回路，设定电解电压为0.6V开始第1驯化周期。
步骤2：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的90％时(稳定的最高电流值为7.8mA，更换时电流值为7.02mA)，断开电路停止该批次，并在8分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为830mg/L[乙酸钠用量更换为1.064g/L外，其他组成与步骤1中相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.7V开始第2驯化周期。
步骤3：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的80％时(稳定的最高电流值为12.07mA，更换时电流值为9.6mA)，断开电路停止该批次，并在10分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为750mg/L，[除乙酸钠用量为0.96g/L外，其他组成与步骤1中组成相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第3驯化周期。
步骤4：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的80％时(稳定的最高电流值为16.03mA，更换时电流值为12.86mA)，断开电路停止该批次，并在11分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为680mg/L[乙酸钠用量为0.872g/L，而其他组成与步骤1中组成相同的]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第4驯化周期。
步骤5：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的80％时(稳定的最高电流值为18.53mA，更换时电流值为14.8mA)，断开电路停止该批次，并在12分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为900mg/L[乙酸钠用量1.154g/L，而其他组成与步骤1中组成相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第5驯化周期。
步骤6：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的91％时(稳定的最高电流值为18.9mA，更换时电流值为17.22mA)，断开电路停止该批次，并在12分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为860mg/L[乙酸钠用量1.102g/L，而其他组成与步骤1中组成相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第6驯化周期。
步骤7：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的82％时(稳定的最高电流值为20.1mA，更换时电流值为16.57mA)，断开电路停止该批次，并在15分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为810mg/L[乙酸钠用量1.038g/L，而其他组成与步骤1中组成相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第7驯化周期。
步骤8：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的81％时(稳定的最高电流值为21.9mA，更换时电流值为18.03mA)，断开电路停止该批次，并在15分钟内排出旧的培养液，用新鲜配制的化学需氧量为780mg/L[乙酸钠用量为1.0g/L，而其他组成与步骤1中组成相同]的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第8驯化周期。驯化过程电流表征数据如图1。由图1可知，最终所得的稳定平台电流值为24.57mA。
而只使用0.8V电解电压，使用化学需氧量为780mg/L的阳极培养液不经过上述驯化过程所得的电流值为6.32mA。
上述生物阳极驯化后形貌图(插入图为未经驯化的生物阳极)如图2所示。由图2可知经过驯化的生物阳极中负载的生物量远大于未经驯化的生物阳极所负载的生物量，表明本发明所提出的驯化方法能快速促进阳极微生物生长。
并且，实施例1的方法在3天内完成驯化，大大缩短了驯化周期。
实施例2：
电解快速驯化生物阳极过程如下(实施例2与实施例1的操作相同，不同之处在于每个步骤中使用的阳极培养液的化学需氧量和每个周期的电解电压)：
步骤1：以水为溶剂配置化学需氧量为900mg/L的阳极培养液100mL(阳极培养液由100mmol/L PBS缓冲液、12.5mL/L营养盐、25μL/L维生素液、有机底物乙酸钠组成。所述PBS缓冲液配方为NH4Cl 0.62g/L，NaH2PO4·2H2O 5.54g/L，Na2HPO4·12H2O 23.08g/L，KCl0.26g/L。所述营养盐配方为EDTA 2.4g/L，MgSO4·7H2O 6.1g/L，MnSO4·H2O 0.45g/L，NaCl0.9g/L，FeSO4·7H2O 0.09g/L，CaCl2 0.08g/L，CoCl2·6H2O 0.09g/L，ZnCl2 0.12g/L，CuSO4·5H2O 0.012g/L，KAl(SO4)2·12H2O 0.009g/L，H3BO3 0.009g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O0.02g/L，NiCl2·6H2O 0.025g/L，Na2WO4·2H2O 0.025g/L。所述维生素液配方为生物素0.0015g/L，叶酸0.002g/L，维生素B6 0.01g/L，核黄素0.005g/L，维生素B1 0.005g/L，烟酸0.006g/L，泛酸0.006g/L，维生素B12 0.0002g/L，4-氨基苯甲酸0.005g/L，硫辛酸0.005g/L。乙酸钠的用量为1.154g/L)，依次连接体积为20mL的生物阳极碳纤维刷(其中接种5mL微生物电解池中的产电生物阳极电极)、恒压电源、电流监控元件和化学阴极(负载1.0mg/cm2Pt催化剂的碳纸)、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，设定电解电压为0.5V开始第1驯化周期。
步骤2：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的90％时，断开电路停止该批次，并在5分钟内用新鲜配制的化学需氧量为850mg/L的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.7V开始第2驯化周期。
步骤3：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的87％时，断开电路停止该批次，并在7分钟内用新鲜配制的化学需氧量为880mg/L的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.8V开始第3驯化周期。
步骤4：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的90％时，断开电路停止该批次，并在11分钟内用新鲜配制的化学需氧量为780mg/L的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.9V开始第4驯化周期。
步骤5：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的95％时，断开电路停止该批次，并在10分钟内用新鲜配制的化学需氧量为900mg/L的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.9V开始第5驯化周期。
步骤6：当电解电流值达到稳定平台电流之后，出现电流值连续降低且电流值降低至稳定平台电流值的90％时，断开电路停止该批次，并在12分钟内用新鲜配制的化学需氧量为660mg/L的阳极培养液完全置换旧的培养液，连通电路设置电解电压为0.9V开始第6驯化周期。其驯化过程中的最高电流密度图如图3所示。由图3可知，最终所得的稳定平台电流值为447mA/m3。
上述不同化学需氧量的阳极培养液通过调节其中的乙酸钠浓度来获得。
而只使用0.9V电解电压，使用化学需氧量为900mg/L的阳极培养液不经过上述驯化过程所得的电流值为215mA/m3。
并且，实施例2的方法在3天内完成驯化，大大缩短了驯化周期。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电解快速驯化生物阳极的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A)配置阳极培养液，并连接生物阳极、恒压电源、电流监控元件和化学阴极构成微生物电解池回路，采用恒压电解模式开始第1驯化周期；
B)当电流监控元件监测第1驯化周期的电解电流值降低时，断开电路并更换生物阳极培养液，调节恒压电源的电压开始第2驯化周期；
C)完成步骤B)后，再重复操作步骤B)3次，完成初始驯化周期；
D)在完成步骤C)的基础上，再根据所需的产电能力，重复操作步骤B)n次，完成稳定驯化周期；
步骤A)中，所述阳极培养液的配方为80～100mmol/L PBS缓冲液、10～15mL/L营养盐、20～30μL/L维生素液、0.77～1.28g/L有机底物；
所述PBS缓冲液配方为NH4Cl 0.62g/L，NaH2PO4·2H2O 5.54g/L，Na2HPO4·12H2O23.08g/L，KCl 0.26g/L；
所述营养盐配方为EDTA 2.0～2.5g/L，MgSO4·7H2O 6.0～6.2g/L，MnSO4·H2O 0.45～0.55g/L，NaCl 0.9～1.0g/L，FeSO4·7H2O 0.09～0.1g/L，CaCl2 0.07～0.08g/L，CoCl2·6H2O 0.09～0.1g/L，ZnCl2 0.12～0.13g/L，CuSO4·5H2O 0.009～0.012g/L，KAl(SO4)2·12H2O 0.009～0.012g/L，H3BO30.009～0.012g/L，(NH4)6Mo7O24·4H2O 0.02～0.025g/L，NiCl2·6H2O0.02～0.025g/L，Na2WO4·2H2O 0.02～0.025g/L；
所述维生素液配方为生物素0.0015～0.002g/L，叶酸0.0015～0.002g/L，维生素B60.005～0.01g/L，核黄素0.005～0.01g/L，维生素B1 0.005～0.006g/L，烟酸0.005～0.006g/L，泛酸0.005～0.006g/L，维生素B12 0.0001～0.0002g/L，4-氨基苯甲酸0.005～0.006g/L，硫辛酸0.005～0.006g/L；
步骤B)中，当电解电流值下降，且所测电流值为第1驯化周期中最高电流值的80％～95％时断开电路；
步骤B)中，所述恒压电源的电压比步骤A)中的电压高0.1-0.3V。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中所述阳极培养液的化学需氧量浓度为600～1000mg/L；
步骤A)中，所述阳极培养液使用的溶剂为水。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中所述阳极培养液的体积为生物阳极电极体积的2～7倍。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中，所述生物阳极为接种微生物电解池或微生物燃料电池中的产电生物阳极电极的碳毡、碳布、碳纸、或碳纤维刷。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中，所述化学阴极为负载有0.4～1.6mg/cm2 Pt催化剂的碳布、碳纸、或钛板。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤A)中，恒压电源采用的电解电压为0.3V～0.9V。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤B)中，所述阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L；
步骤B)中，更换所述阳极培养液的时间为1～30min。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤C)中，重复操作过程中每一驯化周期恒压电源的电压不小于上一周期的电压，其中第4驯化周期中恒压电源的电压比第3驯化周期中的电压高0-0.3V；且第5驯化周期中恒压电源的电压比第4驯化周期中的电压高0-0.3V。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤C)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D)中，n为大于1的整数；
步骤D)中，当n为1时，第6驯化周期的电压比第5驯化周期中的电压高0-0.3V；
步骤D)中，当n为2以上的数时，第6驯化周期的电压比第5驯化周期中的电压高0-0.3V。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤D)中，所采用的阳极培养液的化学需氧量浓度与步骤A)或B)或C)相同或不同，彼此独立地为600～1000mg/L。
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