RU108217U1 - Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 - Google Patents
Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 Download PDFInfo
- Publication number
- RU108217U1 RU108217U1 RU2011115367/07U RU2011115367U RU108217U1 RU 108217 U1 RU108217 U1 RU 108217U1 RU 2011115367/07 U RU2011115367/07 U RU 2011115367/07U RU 2011115367 U RU2011115367 U RU 2011115367U RU 108217 U1 RU108217 U1 RU 108217U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microbial
- mbte
- oxydans
- energy
- gluconobacter
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
Abstract
Устройство, представляющее собой микробный биотопливный элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую, содержащее две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, в другой находится электрод сравнения, а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающееся тем, что использован штамм Gluconobacter oxydans BKM В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.
Description
Полезная модель является устройством, непосредственно преобразующим энергию микробного окисления органических соединений в электрическую энергию. Устройство относится к области биотехнологии, а именно, к выработке электрической энергии микроорганизмами, составляющими основу микробного биотопливного элемента (МБТЭ). Источники такого типа относятся к альтернативным источникам энергии. Они могут быть использованы в мероприятиях по охране окружающей среды, поскольку производят электрическую энергию путем окисления загрязняющих среду органических соединений. МБТЭ могут быть использованы в малой энергетике для создания стационарных источников питания с невысокими уровнями отдаваемой энергии; для выполнения научных исследований; для применения в биотехнологических производствах, в которых используется глицерин в качестве одного из компонентов процесса (например, производство дизельного топлива, получение органических кислот); в медицине для оснащения миниатюрных модулей типа насосов для подачи лекарственных соединений.
Известные МБТЭ или их макеты созданы на основе микроорганизмов, относящихся к различным, систематическим группам. Gluconobacter является одним из микроорганизмов, применяемых в МБТЭ [A.Reshetilov, S.Alferov, L.Tomashevskaya, O.Ponamoreva. Testing bacteria Gluconobacter oxydans and electron transport mediators composition for ap-plication in biofuel cell. // Electroanalysis. 2006. 18(19-20), 2030-2034]. Его использование в роли биокатализатора в МБТЭ считается высокоперспективным в связи с обилием дегидрогеназ в периплазме клеток, осуществляющих окисление углеродных субстратов. Это обеспечивает легкий доступ медиатора к активным центрам фермента. В качестве субстратов используют органические вещества, такие как полисахара и высшие спирты. В их число попадают побочные продукты или отходы биотехнологических производств. Одним из таких продуктов является глицерин. В последнее десятилетие этот субстрат привлекает внимание как недорогой побочный продукт промышленного производства биодизеля [Аppanna V. Metabolically engineered microbial systems and the conversion of agricultural biomass into simple sugars for the production of biofuels//Keynote lecture at the Session 3. BIOFUELS of the Int. Conf. MEC-2007, Moscow, Russia, October, 1-3, 2007; Arechederra R., Treu В., Minteer Sh. Development of glycerol | O2 biofuel cell. // J. Power Sources. 2007. 173(1). 156-161]. Способность Gluconobacter окислять субстраты в течение длительного времени без неконтролируемого увеличения биомассы является преимущественным свойством микробных клеток для использования в МБТЭ.
Предложен макет МБТЭ на основе клеток Gluconobacter oxydans BKM В-1280, окислявших глюкозу в присутствии 2,6-дихлорофенолиндофенола [Алферов С.В., Л.Г.Томашевская, Понаморева О.Н., В.А.Богдановская, А.Н.Решетилов. Анод биотопливного элемента на основе бактериальных клеток Gluconobacter oxydans и медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорофенолиндофенола.//Электрохимия, 2006. 42(4). 456-457], ферроцена [A.Reshetilov, S.Alferov, L.Tomashevskaya, O.Ponamoreva. Testing bacteria Gluconobacter oxydans and electron transport mediators composition for application in biofuel cell.//Electroanalysis. 2006. 18(19-20), 2030-2034]. В данной модели использовали только потенциометрический метод, генерацию энергии рассматривали только в ограниченном диапазоне внешних нагрузок. В работе [Tomashevskaia L.G., Alferov S.V., Tomashevskii A.A., Reshetilov A.N. Power characteristics of microbial fuel cell based on Gluconobacter cell suspension and 2,6-dichlorophenolindophenol as electron transport mediator.//Proceedings of the International Conference MEC-2007, Moscow, Russia, October, 1-3, 2007] авторы исследовали мощностные характеристики макета МБТЭ, работа которого базируется на использовании суспензии клеток Gluconobacter oxydans BKM В-1280. В работе [Китова А., Томашевская Л., Решетилов А.Н. Перспективы создания микробного биотопливного элемента (БТЭ) на основе метаболизма глицерина у Gluconobacter oxydans. // Сб. тез. Второго м/н конгресса «ЕвразияБио-2010» Москва, 13-15 апреля 2010 г. / Под ред. Р.Г.Василова. - М.: Изд. «Копиринг», 2010 - 436 с., с.92] рассмотрены перспективы создания МБТЭ на основе метаболизма глицерина клетками Gluconobacter. Использовали штамм G. oxydans BKM В-1280. В работах [А.Е.Китова, Л.Г.Томашевская, С.Ю.Поздина, А.А.Баринова, А.Н.Решетилов. Исследование окислительной активности Gluconobacter для применения в глицериновом биотопливном элементе // Тезисы VI молодежной школы с м/н участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», 25-27 октября 2010, стр.135-138; П.Р.Минайчева, А.Е.Китова, Л.Г.Томашевская, А.Н.Решетилов. Межштаммовые различия Gluconobacter при окислении глицерина в микробном биотопливном элементе. // Тезисы VI молодежной школы с м/н участием «Актуальные аспекты современной микробиологии», 25-27 окт. 2010, стр.43-45] использовали 3 штамма Gluconobacter. Все штаммы проявляли биоэлектрокаталитическую активность.
Полученные данные свидетельствуют о том, что клетки Gluconobacter могут быть успешно применены в качестве дешевого биоматериала, отвечающего требованиям МБТЭ.
Некоторые из известных МБТЭ представлены в Таблице 1.
Таблица 1. | |||||
Биотопливные элементы, функционирующие с использованием медиаторов. | |||||
Микроорганизм | Субстрат | Медиатор | Потенциал | Ток или плотность тока. | Анод |
Pseudomona s methanica | СН4 | 1-нафтол-2-сульфонат 2,6 дихлорфенолиндофенол | 0.5-0.6 В (р/з/цепь) | 2.8 мА см-2 (при 0.35 В) | Pt-чернь,12.6 см2 |
Escherichia соli | Глюкоза | Метиленовый синий | 0.625 В (р/з/цепь) | - | Pt, 390 см2 |
Proteus vulgaris Bacillus subtilis Escherichia coil | Глюкоза | Тионин | 0.64 В (р/з/цепь) | 0.8 мА (при 560 Ом) | Сетчатый уголь800 см2 |
Proteus vulgaris | Глюкоза | Тионин | 350 мВ (при 100 Ом) | 3.5 мА (при 100 Ом) | Сетчатый уголь 800 см2 |
Proteus vulgaris | Сахароза | Тионин | 350 мВ (при 100 Ом) | 3.5 мА (при 100 Ом) | Уголь |
Escherichia coli | Глюкоза | Тионин | 390 мВ (при 560 Ом) | 0.7 мА (при 560 Ом) | - |
Lactobacillus plantarum Streptococcus lactis | Глюкоза | Fe(III) ЭДТА | 0.2 В(р/з/цепь) | 90 µA (при 560 Ом) | - |
Erwinia dissolvens | Глюкоза | Fe(III) ЭДТА | 0.5 В (р/з/цепь) | 0.7 мА (при 560 Ом) | - |
Proteus vulgaris | Глюкоза | 2-гидрокси-1,4-нафтохинон | 0.75 В (р/з/цепь) | 0.45 мА (при 1 кОм) | Граффитовый фетр, 1 г (0.47 м2 г-1) |
Escherichia coli | Ацетат | Нейтральный красный | 0.25 В (р/з/цепь) | 1.4 µA∗ см-2 (к/з/цепь)e | Графит 100 см2 |
Escherichia coli | Глюкоза | Нейтральный красный | 0.85 В (р/з/цепь) | 17.7 мА (к/з/цепь) | граффитовый фетр 12 г (0.47 м2г-1) |
Расчет параметра мощности МБТЭ можно производить по формуле:
Р=I·ЕБТЭ, где I· - ток, протекающий через нагрузку, ЕБТЭ напряжение на нагрузке. В случае анализа вольт-амперных характеристик (ВАХ) за показатель условной мощности МБТЭ принимается произведение величины тока на значение потенциала (по абсолютной величине), при котором данный ток регистрируется.
При анализе хронопотенциограмм разрядки МБТЭ на нагрузке ток, получаемый в МБТЭ рассчитывается с помощью измеренного потенциала на внешнем сопротивлении
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, состоит в создании устройства биотопливного типа для выработки электрической энергии на основе штамма Gluconobacter oxydans ВКМ В-1227, не использовавшегося ранее в аналогичных устройствах.
На фиг.1 представлена схематическая конструкция МБТЭ.
Бактериальные ферменты окисляют субстрат с образованием продукта (в случае глицерина образуется диоксиацетон, ДОА) и протонов. Медиатор транспорта электронов (2,6-дихлорофенолиндофенол, ДХФИФ) перехватывает образовавшиеся электроны с донорного сайта фермента или с одного из звеньев дыхательной цепи и переносит на анод. По внешней цепи электроны переходят с анода на катод и восстанавливают конечный акцептор электронов (гексацианоферрат(III) калия, ГЦФ в нашем случае). Протоны, образовавшиеся в анодной камере, переходят через мембрану в катодное отделение МБТЭ и замыкают цепь.
Внешний вид ячейки биотопливного элемента, используемой в работе, показан на фиг.2.
В кюветах размещаются реакционные электрохимические смеси - анолит и католит, в которые погружают электроды - анод и катод соответственно. Ионообменная мембрана разделяет кюветы, обеспечивая избирательную проницаемость.
Эквивалентная электрическая схема ячейки биотопливного элемента приведена на фиг.3.
МБТЭ представляет собой двухкамерную двухэлектродную электрохимическую ячейку. Цилиндрические камеры (анодная и катодная) содержат равные объемы рабочих растворов. В анодной камере размещают реакционную смесь, составленную из суспензии клеток Gluconobacter в 30 мМ натрий-фосфатном буферном растворе с рН 6.0. Раствор содержит бактериальные клетки в концентрации 2.5 мг биомассы (сырой вес) в I мл, 75 мкМ 2,6-дихлорофенолиндофенол (ДХФИФ) и 5 мМ глицерин. В катодной камере ячейки содержится такой же буфер с добавлением 30 мМ гексацианоферрата(III) калия (ГЦФ). Содержимое анодной и катодной камер называют анолитом и католитом соответственно. В обе камеры биотопливной ячейки вносят буферный раствор в необходимом объеме (3000 мкл) и производят электрохимические оценки. Буферные и/или солевые растворы выполняют функцию базового электролита в БТЭ. Измеряют ЭДС системы, регистрируют вольтамперную характеристику. Для получения циклической вольтамперограммы задают величину потенциала анода относительно катода и измеряют ток. В результате проведения расчетов получают характеристики биотопливного элемента.
Электродами служат графитовые стержни, диаметром 6 мм, которые погружаются в раствор на глубину 6 мм. Анодная и катодная камеры соединяются посредством окна, закрытого катионообменной мембраной МФ-4СК («Пластполимер», С.-Петербург). Исследования проводят при температуре 28°С. Во внешнюю цепь включают гальванопотенциостат (IPCMicro, «Кронас», РФ), с помощью которого выполняют измерение электрических показателей МБТЭ.
На Фиг.4 и 5 показан порядок проведения экспериментов.
Расчет мощности проводили по данным ВАХ для полного анолита (реакционной смеси, включающей клетки, глицерин и ДХФИФ). Максимальная мощность, рассчитанная при регистрации циклической ВАХ (скорость развертки составляла 10 мВ/с, «условная максимальная мощность») составляет 2.3 мкВт.
Claims (1)
- Устройство, представляющее собой микробный биотопливный элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую, содержащее две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, в другой находится электрод сравнения, а генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения, отличающееся тем, что использован штамм Gluconobacter oxydans BKM В-1227, не использовавшийся ранее с этой целью.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011115367/07U RU108217U1 (ru) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011115367/07U RU108217U1 (ru) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU108217U1 true RU108217U1 (ru) | 2011-09-10 |
Family
ID=44758130
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011115367/07U RU108217U1 (ru) | 2011-04-20 | 2011-04-20 | Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU108217U1 (ru) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496187C1 (ru) * | 2012-02-22 | 2013-10-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд" | Биоэлектрохимический реактор |
RU2562118C1 (ru) * | 2014-09-26 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Биоагент для выработки электроэнергии в микробных топливных элементах |
RU2599421C1 (ru) * | 2016-02-25 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | Способ получения электрической энергии с помощью микробного биотопливного элемента, имплантированного в организм живой травяной лягушки rana temporaria |
RU175765U1 (ru) * | 2017-07-14 | 2017-12-19 | Игорь Игоревич Сащенко | Биоэлектрохимическое устройство |
RU209073U1 (ru) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | Микробный топливный элемент |
-
2011
- 2011-04-20 RU RU2011115367/07U patent/RU108217U1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2496187C1 (ru) * | 2012-02-22 | 2013-10-20 | Общество С Ограниченной Ответственностью "М-Пауэр Ворлд" | Биоэлектрохимический реактор |
RU2562118C1 (ru) * | 2014-09-26 | 2015-09-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет" | Биоагент для выработки электроэнергии в микробных топливных элементах |
RU2599421C1 (ru) * | 2016-02-25 | 2016-10-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук | Способ получения электрической энергии с помощью микробного биотопливного элемента, имплантированного в организм живой травяной лягушки rana temporaria |
RU175765U1 (ru) * | 2017-07-14 | 2017-12-19 | Игорь Игоревич Сащенко | Биоэлектрохимическое устройство |
RU209073U1 (ru) * | 2021-06-16 | 2022-02-01 | Николай Владимирович Масейкин | Микробный топливный элемент |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Rahimnejad et al. | A novel microbial fuel cell stack for continuous production of clean energy | |
Zhang et al. | Microbial fuel cell based on Klebsiella pneumoniae biofilm | |
Marshall et al. | Electrochemical evidence of direct electrode reduction by a thermophilic Gram-positive bacterium, Thermincola ferriacetica | |
Hidalgo et al. | Electrochemical and impedance characterization of Microbial Fuel Cells based on 2D and 3D anodic electrodes working with seawater microorganisms under continuous operation | |
Hassan et al. | Power generation from cellulose using mixed and pure cultures of cellulose-degrading bacteria in a microbial fuel cell | |
Logan | Exoelectrogenic bacteria that power microbial fuel cells | |
Nandy et al. | Utilization of proteinaceous materials for power generation in a mediatorless microbial fuel cell by a new electrogenic bacteria Lysinibacillus sphaericus VA5 | |
Jafary et al. | Assessment of bioelectricity production in microbial fuel cells through series and parallel connections | |
Abrevaya et al. | Archaea-based microbial fuel cell operating at high ionic strength conditions | |
Wu et al. | A white-rot fungus is used as a biocathode to improve electricity production of a microbial fuel cell | |
Sharma et al. | Enhanced performance of sulfate reducing bacteria based biocathode using stainless steel mesh on activated carbon fabric electrode | |
Permana et al. | Preliminary investigation of electricity production using dual chamber microbial fuel cell (dcMFC) with Saccharomyces cerevisiae as biocatalyst and methylene blue as an electron mediator | |
Quan et al. | Comparative investigation on microbial community and electricity generation in aerobic and anaerobic enriched MFCs | |
Takeuchi et al. | Microbial fuel cells using Cellulomonas spp. with cellulose as fuel | |
Rahimnejad et al. | Microbial fuel cell (MFC): an innovative technology for wastewater treatment and power generation | |
Singh et al. | A review on microbial fuel cell using organic waste as feed | |
RU108217U1 (ru) | Микробный биотопливный элемент на основе штамма cluconobacter oxydans вкм в-1227 | |
Sayed et al. | Catalytic activity of yeast extract in biofuel cell | |
Sugnaux et al. | Probing electron transfer with Escherichia coli: a method to examine exoelectronics in microbial fuel cell type systems | |
Khawdas et al. | Direct electron transfer of Cellulomonas fimi and microbial fuel cells fueled by cellulose | |
RU109758U1 (ru) | Микробный биотопливный элемент на основе штамма gluconobacter cerinus вкм в-1283 | |
Aziz et al. | PROTOTYPE DESIGNING AND OPERATIONAL ASPECTS OF MICROBIAL FUEL CELL-REVIEW PAPER. | |
Godwin et al. | Microbial fuel cell with a polypyrrole/poly (methylene blue) composite electrode | |
Gunasekaran et al. | Microbial fuel cell constructed with micro-organisms isolated from industry effluent | |
Santos et al. | Bioelectrochemical energy storage in a microbial redox flow cell |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TK1K | Correction to the publication in the bulletin (utility model) |
Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG1K- IN JOURNAL: 25-2011 FOR TAG: (54) |
|
MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20200421 |