RU122381U1

RU122381U1 - DEVICE FOR ELECTRIC POWER GENERATION

Info

Publication number: RU122381U1
Application number: RU2012123161/10U
Authority: RU
Inventors: Сергей Валерьевич Алферов; Полина Романовна Минайчева; Винь Тиен Нгуен; Вячеслав Алексеевич Арляпов; Валерий Анатольевич Алферов
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-11-27

Abstract

Устройство для генерации электрической энергии, содержащее электролитическую ячейку, состоящую из разделенных полупроницаемой перегородкой анодной и катодной камер для размещения в них буферного раствора, размещенные в анодной и катодной камерах графитовые электроды, магнитную мешалку, отличающееся тем, что анодная камера выполнена с возможностью дополнительного размещения биокатализатора и медиатора электронного транспорта, причем в качестве биокатализатора использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subsp. Industrius (BKM B-1280), а полупроницаемая перегородка выполнена из протонселективной мембраны.A device for generating electrical energy, containing an electrolytic cell, consisting of an anode and cathode chambers separated by a semi-permeable partition for placing a buffer solution in them, graphite electrodes placed in the anode and cathode chambers, a magnetic stirrer, characterized in that the anode chamber is made with the possibility of additional placement of the biocatalyst and a mediator of electron transport, and the membrane fraction of bacteria Gluconobacter oxydans subsp. was used as a biocatalyst. Industrius (BKM B-1280), and the semipermeable septum is made of a proton-selective membrane.

Description

Техническое решение относится к области альтернативной энергетики, а именно, к биотопливным элементам. Устройство может быть применено для генерации электрической энергии при использовании глюкозы в качестве топлива.The technical solution relates to the field of alternative energy, namely, biofuel elements. The device can be used to generate electrical energy using glucose as a fuel.

В настоящее время основная часть потребностей в электроэнергии удовлетворяется путем использования невосполнимых природных ресурсов, что влечет за собой возникновение серьезных экологических проблем. В связи с этим актуальным направлением при поиске и создании альтернативных источников электрической энергии является разработка биотопливных элементов (БТЭ). В основе функционирования этих устройств лежат процессы биокаталитического окисления органических веществ с генерацией электричества. Основой БТЭ является биокатализатор, в качестве которого могут выступать ферменты, мембранные фракции бактерий и целые клетки микроорганизмов. Использование каждого типа биокатализатора имеет свои преимущества и недостатки. Использование мембранных фракций бактерий в качестве биокатализатора БТЭ устраняет необходимость дорогостоящего выделения индивидуальных ферментов, при этом активные центры ферментов, ответственных за окисление субстрата и взаимодействие с медиатором электронного транспорта являются более доступными по сравнению с целыми клетками микроорганизмов.Currently, most of the electricity needs are met by using irreplaceable natural resources, which entails the emergence of serious environmental problems. In this regard, the development of biofuel elements (BFCs) is an important direction in the search and creation of alternative sources of electric energy. The functioning of these devices is based on the processes of biocatalytic oxidation of organic substances with the generation of electricity. The basis of BTE is a biocatalyst, which can act as enzymes, membrane fractions of bacteria and whole cells of microorganisms. The use of each type of biocatalyst has its advantages and disadvantages. The use of bacterial membrane fractions as a BFC biocatalyst eliminates the need for expensive isolation of individual enzymes, while the active centers of the enzymes responsible for the oxidation of the substrate and interaction with the mediator of electron transport are more accessible compared to whole microorganism cells.

Представленное в литературе устройство БТЭ [D.H.Park, J.G.Zeikus. Electricity Generation in Microbial Fuel Cells Using Neutral Red as an Electronophore. Appl. Environm. Microbiol. - 2000 - V.66 - P.1292-1297] на основе бактерий Е. coli и A. succinogenes и медиатора электронного транспорта нейтрального красного характеризуется низкими энергетическими характеристиками, а модель [М.Grzebyka and G.Ро'zniakb. Microbial fuel cells (MFCs) with interpolymer cation exchange membranes. Separation and Purification Technology. 2005 - V.41 - P.321-328] на основе бактерий Е. coli предполагает отказ от использования медиатора электронного транспорта, но при этом применение дорогостоящих материалов.The BTE device presented in the literature [D.H. Park, J.G. Zeikus. Electricity Generation in Microbial Fuel Cells Using Neutral Red as an Electronophore. Appl. Environm. Microbiol. - 2000 - V.66 - P.1292-1297] based on bacteria E. coli and A. succinogenes and a mediator of neutral red electron transport is characterized by low energy characteristics, and the model [M. Grzebyka and G. Ro'zniakb. Microbial fuel cells (MFCs) with interpolymer cation exchange membranes. Separation and Purification Technology. 2005 - V.41 - P.321-328] based on bacteria E. coli suggests the rejection of the use of a mediator of electronic transport, but at the same time the use of expensive materials.

Наиболее близким по своим признакам, принятым за прототип является устройство для генерации электрической энергии, описанное в работе [Алферов С.В., Томашевская Л.Г., Понаморева О.Н., Богдановская В.А., Решетилов А.Н. Анод биотопливного элемента на основе бактериальных клеток Gluconobacter и медиатора электронного транспорта 2,6-дихлорфенолиндофенола. Электрохимия - 2006 - Т.42 - №4 - С.456-457].The closest in its features adopted for the prototype is a device for generating electrical energy, described in [Alferov SV, Tomashevskaya LG, Ponamoreva ON, Bogdanovskaya VA, Reshetilov AN The anode of a biofuel cell based on Gluconobacter bacterial cells and a mediator of electron transport of 2,6-dichlorophenolindophenol. Electrochemistry - 2006 - T.42 - No. 4 - S.456-457].

Основой известного устройства для генерации электрической энергии являлась двухкамерная ячейка. Объем анодного отделения был равен объему катодного и составлял 5 мл. Электродами служили графитовые стержни диаметром 8 мм. Глубина погружения электродов в раствор - 10 мм. Связь кювет осуществлялась через отверстие в стенке. Камеры разделяли перегородкой, выполненной из ацетатцеллюлозной мембраны. Измерения проводили в натрий-фосфатном буферном растворе (рН 6,0) при постоянном перемешивании раствора магнитной мешалкой. В качестве биокатализатора были использованы бактерии Gluconobacter oxydans subsp. industrius (BKM В-1280). В качестве медиатора электронного транспорта использовался 2,6-дихлорфенолиндофенол. Регистрацию генерируемого потенциала проводили после добавления глюкозы. Средняя величина генерируемого потенциала в описанной системе при разомкнутой внешней цепи составляла 50-60 мВ. При приложенном внешнем сопротивлении 10 кОм напряжение составляло 5,6 мВ, а внутреннее сопротивление ячейки 88 кОм. Существенным недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются низкие энергетические и мощностные характеристики.The basis of the known device for generating electrical energy was a two-chamber cell. The volume of the anode compartment was equal to the volume of the cathode and was 5 ml. The electrodes were graphite rods with a diameter of 8 mm. The immersion depth of the electrodes in the solution is 10 mm. The cell was connected through a hole in the wall. The cells were separated by a partition made of cellulose acetate membrane. The measurements were carried out in sodium phosphate buffer solution (pH 6.0) with constant stirring of the solution with a magnetic stirrer. The bacteria Gluconobacter oxydans subsp. Were used as a biocatalyst. industrius (BKM B-1280). As a mediator of electron transport, 2,6-dichlorophenolindophenol was used. The generated potential was recorded after glucose was added. The average value of the generated potential in the described system with an open external circuit was 50-60 mV. With an external resistance of 10 kOhm applied, the voltage was 5.6 mV, and the internal resistance of the cell was 88 kOhm. A significant disadvantage of the known device adopted for the prototype are low energy and power characteristics.

Задачей предлагаемого технического решения является улучшение энергетических характеристик устройства.The objective of the proposed technical solution is to improve the energy characteristics of the device.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для генерации электрической энергии, содержащем электролитическую ячейку, состоящую из разделенных полупроницаемой перегородкой анодной и катодной камер для размещения в них буферного раствора, размещенные в анодной и катодной камерах графитовые электроды, магнитную мешалку, причем анодная камера выполнена с возможностью дополнительного размещения биокатализатора и медиатора электронного транспорта, причем в качестве биокатализатора использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subsp. Industrius (BKM В-1280), а полупроницаемая перегородка выполнена из протонселективной мембраны».The problem is achieved in that in a device for generating electrical energy containing an electrolytic cell, consisting of a sealed permeable baffle of the anode and cathode chambers for placement of a buffer solution, placed in the anode and cathode chambers graphite electrodes, a magnetic stirrer, and the anode chamber is made with the possibility of additional placement of the biocatalyst and the mediator of electronic transport, and the membrane fraction of Glu bacteria was used as the biocatalyst conobacter oxydans subsp. Industrius (BKM B-1280), and the semipermeable septum is made of a proton-selective membrane. ”

На фиг.1 показано устройство для генерации электрической энергии на основе мембранной фракции бактерий.Figure 1 shows a device for generating electrical energy based on a membrane fraction of bacteria.

Предлагаемое устройство состоит из следующих элементов: двухкамерной электролитической ячейки 1, состоящей из двух кювет, объем анодного отделения равен объему катодного и составляет 5 мл. Связь кювет осуществляют через отверстие в стенке диаметром 6 мм. Кюветы разделены протонселективной мембранной 5. Электродами служат графитовые стержни анод 2 и катод 3 диаметром 8 мм. Высота погружения электродов в буферный раствор - 10 мм. Для непрерывного перемешивания используют магнитную мешалку 4, скорость перемешивания 400-500 об/мин. В качестве биокатализатора 6 использована мембранная фракция бактерий Gluconobacter oxydans subap. Industrius (BKM В-1280). В качестве медиатора электронного транспорта 7 в анодном отделении использован 2,6-дихлорфенолиндофенод.The proposed device consists of the following elements: two-chamber electrolytic cell 1, consisting of two cuvettes, the volume of the anode compartment is equal to the volume of the cathode and is 5 ml. The connection of the cell is carried out through a hole in the wall with a diameter of 6 mm The cells are separated by a proton-selective membrane 5. The electrodes are graphite rods anode 2 and cathode 3 with a diameter of 8 mm. The immersion height of the electrodes in the buffer solution is 10 mm. For continuous mixing using a magnetic stirrer 4, the stirring speed of 400-500 rpm As the biocatalyst 6, the membrane fraction of the bacteria Gluconobacter oxydans subap was used. Industrius (BKM B-1280). As a mediator of electron transport 7 in the anode compartment, 2,6-dichlorophenolindophenode was used.

Для получения мембранной фракции наращивали биомассу бактерий Gluconobacter oxydans subap. Industrius (BKM В-1280) (предоставлены Всероссийской коллекции микроорганизмов ИБФМ РАН, г.Пущино). Культивирование бактерий G. oxydans В-1280 проводили на питательной среде следующего состава: D-сорбит - 200 г/л; дрожжевой экстракт - 20 г/л; объем среды 100 мл, рН среды - 5,2-5,5, при температуре 28°C, в течение 18-20 часов. Среду для выращивания бактерий стерилизовали автоклавированием при давлении 1,1 атмосфера в течение 30 мин. После культивирования клетки собирали центрифугированием при 8000 об/мин в течение 10 мин. и отмывали двукратно 10 мМ натрий-фосфатным буферным раствором с рН 6. Осевшие клетки ресуспендировали в новой порции буфера и центрифугировали 3 мин при 12000 об/мин. Разрушение бактерий G. oxydans производили с использованием ультразвукового диспергатора УЗД 11-0,1/22 в фосфатно-цитратном буферном растворе (рН 6,0), содержащем 1 мМ соль Mg²⁺ и 1 мМ соль Са²⁺. Время обработки ультразвуком составляло 5 минут при подаваемой мощности 100 Вт, рабочей частоте 22 кГц. Полученную суспензию разрушенных бактерий центрифугировали при 4000 g в течение 20 мин. Затем производили центрифугирование при 14000 g, что вызывало осаждение мембранной фракции бактерий. Надосадочная жидкость представляла собой цитоплазматическую фракцию. Биокатализатор - мембранная фракция добавлялась в виде раствора в анодное отделение БТЭ. Регистрацию генерируемого потенциала проводили после добавления глюкозы. Для регистрации потенциала, генерируемого в БТЭ, используют прибор, определяющий зависимость потенциала рабочего электрода от времени - IPC Micro, подключаемый к персональному компьютеру.To obtain the membrane fraction, the biomass of bacteria Gluconobacter oxydans subap was increased. Industrius (BKM B-1280) (provided by the All-Russian Collection of Microorganisms, IBPM RAS, Pushchino). The cultivation of bacteria G. oxydans B-1280 was carried out on a nutrient medium of the following composition: D-sorbitol - 200 g / l; yeast extract - 20 g / l; the volume of the medium is 100 ml, the pH of the medium is 5.2-5.5, at a temperature of 28 ° C, for 18-20 hours. The bacterial growth medium was autoclaved at a pressure of 1.1 atmosphere for 30 minutes. After cultivation, cells were harvested by centrifugation at 8000 rpm for 10 minutes. and washed twice with 10 mM sodium phosphate buffer solution with pH 6. The settled cells were resuspended in a new portion of the buffer and centrifuged for 3 min at 12000 rpm. The destruction of G. oxydans bacteria was carried out using an ultrasonic disperser USD 11-0.1 / 22 in phosphate-citrate buffer solution (pH 6.0) containing 1 mm salt of Mg ²⁺ and 1 mm salt of Ca ²⁺ . The ultrasonic treatment time was 5 minutes at a supplied power of 100 W, an operating frequency of 22 kHz. The resulting suspension of destroyed bacteria was centrifuged at 4000 g for 20 minutes. Then centrifugation was carried out at 14000 g, which caused the precipitation of the membrane fraction of bacteria. The supernatant was a cytoplasmic fraction. Biocatalyst - the membrane fraction was added as a solution to the anode compartment of BFC. The generated potential was recorded after glucose was added. To register the potential generated in the BFC, use a device that determines the dependence of the potential of the working electrode on time - IPC Micro, connected to a personal computer.

Принцип работы предлагаемого устройства для генерации электрической энергии заключается в следующем: графитовые стержни анод 2 и катод 3 погружаются в 30 мМ фосфатный буферный раствор (рН 6,0) электролитической ячейки 1. В анодное отделение добавляют мембранную фракцию 6 бактерий G. oxydans В-1280 и медиатор электронного транспорта 7 (2,6-дихлорфенолиндофенол). После установления стационарного значения потенциала в анодное отделение добавляют субстрат биоокисления и регистрируют величину генерируемого потенциала. Измерения проводят при непрерывном перемешивании с помощью магнитной мешалки 4 при комнатной температуре.The principle of operation of the proposed device for generating electrical energy is as follows: the graphite rods anode 2 and cathode 3 are immersed in a 30 mM phosphate buffer solution (pH 6.0) of electrolytic cell 1. A membrane fraction 6 of G. oxydans B-1280 bacteria is added to the anode compartment. and a mediator of electronic transport 7 (2,6-dichlorophenolindophenol). After establishing the stationary value of the potential, a biooxidation substrate is added to the anode compartment and the value of the generated potential is recorded. The measurements are carried out with continuous stirring using a magnetic stirrer 4 at room temperature.

Средняя величина генерируемого потенциала в системе при разомкнутой внешней цепи составляет 240-260 мВ. При приложенном внешнем сопротивлении 100 кОм напряжение составляет 210-220 мВ, а внутреннее сопротивление ячейки 100 кОм.The average value of the generated potential in the system with an open external circuit is 240-260 mV. With an external resistance of 100 kOhm applied, the voltage is 210-220 mV, and the internal resistance of the cell is 100 kOhm.

Таким образом, предлагаемое устройство для генерации электрического тока на основе мембранной фракции бактерий Gluconobacter oxydans subsp. industrius (ВКМ В-1280) обеспечивает возможность значительного увеличения энергетических характеристик представленной ранее модели устройства для генерации электрической энергии.Thus, the proposed device for generating electric current based on the membrane fraction of bacteria Gluconobacter oxydans subsp. industrius (VKM V-1280) provides the opportunity to significantly increase the energy characteristics of the previously presented model of a device for generating electrical energy.

Claims

A device for generating electrical energy, containing an electrolytic cell, consisting of an anode and cathode chambers separated by a semipermeable baffle for placement of a buffer solution, graphite electrodes placed in the anode and cathode chambers, a magnetic stirrer, characterized in that the anode chamber is arranged to additionally accommodate the biocatalyst and a mediator of electron transport, the membrane fraction of bacteria Gluconobacter oxydans subsp. being used as a biocatalyst. Industrius (BKM B-1280), and the semipermeable septum is made of a proton-selective membrane.