RU109758U1 - Микробный биотопливный элемент на основе штамма gluconobacter cerinus вкм в-1283 - Google Patents

Abstract

Микробный биотопливный элемент, содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, отличающийся тем, что в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter cerinus ВКМ В-1283.

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 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 application 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 [Appanna 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). 156-1612]. 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 мощностью характеристики 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 международным 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 международным 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
Pseudomonas methanica	CH4	1-нафтол-2-сульфонат 2,6 дихлорфен олиндофенол	0.5-0.6 В (р/з/цепь)	2.8 мА см-2 (при 0.35 В)	Pt-чернь, 12.6 см2
Escherichia coli	Глюкоза	Метиленовый синий	0.625 В (р/з/цепь)	-	Pt, 390 см2

Proteus vulgaris Bacillus subtilis Escherichia coli	Глюкоза	Тионин	0.64 В (р/з/цепь)	0.8 мА (при 560 Ом)	Сетчатый уголь 800 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 Streptococus lactis	Глюкоза	Fе(III) ЭДТА	0.2 В (р/з/цепь)	90 µА (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)	Графитовый фетр, 1 г (0.47 м2 г-1)
Escherichia coli	Ацетат	Нейтральный красный	0.25 В (р/з/цепь)	1.4 µА∗ см-2 (к/з/цепь)	Графит 100 см2
Escherichia coli	Глюкоза	Нейтральный красный	0.85 В (р/з/цепь)	17.7 мА (к/з/цепь)	Графитовый фетр 12 г (0.47 м2г-1)

Расчет параметра мощности МБТЭ можно производить по формуле:

Р=I·Е_БТЭ, где I· - ток, протекающий через нагрузку, Е_БТЭ - 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 cerinus BKM В-1283, 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 (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 (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 1 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 ЦВА со скоростью 10 мВ/с («условная максимальная мощность») составляет 1.8 мкВт.

Claims (1)

1. Микробный биотопливный элемент, содержащий разделенные между собой посредством ионнообменной мембраны две кюветы, в одной из которых размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, отличающийся тем, что в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter cerinus ВКМ В-1283.