RU168093U1

RU168093U1 - BIOELECTROCHEMICAL ELEMENT

Info

Publication number: RU168093U1
Application number: RU2016127167U
Authority: RU
Inventors: Николай Дмитриевич Борохоев; Галина Олеговна Жданова; Василий Михайлович Толстой; Александр Эдуардович Ржичицкий
Priority date: 2016-07-05
Filing date: 2016-07-05
Publication date: 2017-01-18

Abstract

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.Биоэлектрохимический элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, отличающийся тем, что анодная камера в нижней части имеет патрубок с внешней резьбой и заглушку в виде пробки из полипропиленовой резины, герметично прижатой к патрубку при помощи колпачка с внутренней резьбой, накручиваемого на внешнюю резьбу патрубка.Технический эффект - появление возможности многократно производить отбор проб из элемента без нарушения его работы, а также вносить необходимые компоненты и субстраты для биоагентов при длительной работе биоэлектрохимического элемента.The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity during biological wastewater treatment. A bioelectrochemical cell made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated, characterized in that that the anode chamber in the lower part has a pipe with an external thread and a plug in the form of a plug made of polypropylene rubber, tightly pressed to the pipe using a cap with an internal cut The thread wound on the external thread of the pipe. The technical effect is the possibility of repeatedly taking samples from the element without disrupting its operation, as well as introducing the necessary components and substrates for bioagents during long-term operation of the bioelectrochemical element.

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области биотехнологии для получения электроэнергии при биологической очистке сточных вод.The proposed utility model relates to the field of biotechnology for generating electricity during biological wastewater treatment.

Известен /Патент РФ на полезную модель №109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 г./ биоэлектрохимический элемент, содержащий разделенные между собой посредством протоннообменной мембраны две кюветы. В одной размещена суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат, буферный раствор и измерительный электрод, а в другой - электрод сравнения и буферный раствор, причем электроды выполнены из графита, установлены с возможностью регистрации генерируемого между ними электрического потенциала, в качестве суспензии микробных клеток использован штамм Gluconobacter Cerinus ВКМ В-1283.Known / RF patent for utility model No. 109758 C12M 1/00, C12N 13/00, H01M 8/16 2011 / bioelectrochemical cell containing two cuvettes separated by a proton exchange membrane. One contains a suspension of microbial cells, an electron transport mediator, an oxidizable substrate, a buffer solution and a measuring electrode, and the other contains a reference electrode and a buffer solution, the electrodes being made of graphite and installed to record the electric potential generated between them as a suspension of microbial cells used strain Gluconobacter Cerinus VKM B-1283.

Также известен биоэлектрохимический элемент на основе не использовавшегося ранее с этой целью штамма Gluconobacter Oxydans ВКМВ-1227 /Патент РФ на полезную модель №108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 г./, представляющий собой биоэлектрохимический элемент, непосредственно преобразующий энергию микробного окисления органических соединений в электрическую. Содержит две кюветы, в одной из которых находится суспензия микробных клеток, медиатор электронного транспорта, окисляемый субстрат и измерительный электрод, а в другой находится электрод сравнения (оба электрода выполнены из графита). А генерируемый электрический потенциал регистрируется между измерительным электродом и электродом сравнения.Also known is a bioelectrochemical cell based on the Gluconobacter Oxydans strain VKMB-1227 previously unused for this purpose / RF patent for utility model No. 108217 H01M 8/16, C12N 1/00 2011 /, which is a bioelectrochemical cell that directly converts the energy of microbial oxidation organic compounds into electrical. It contains two cuvettes, one of which contains a suspension of microbial cells, a mediator of electron transport, an oxidizable substrate and a measuring electrode, and the other contains a reference electrode (both electrodes are made of graphite). And the generated electrical potential is recorded between the measuring electrode and the reference electrode.

Известен реактор /Патент РФ №2496187 H01M 8/16 2012 г./, использующий органические соединения сточных вод в качестве топлива для производства электричества. Анодные и катодные зоны, разделенные протоннообменной мембраной, расположены таким образом, что каждая катодная зона располагается между двумя пластинами анодных электродов. Для чего катодные зоны введены в анодную зону через прямоугольные отверстия в верхней крышке реактора. Анод представляет собой жгуты из тонкого углеродного волокна, намотанного на каркас в виде параллелепипеда, образуя четыре поверхности из волокна и четыре внутренних канала для прохождения жидкой фазы, тогда как катод представляет собой воздушный электрод с регулируемой подачей минимального количества катодного электролита для создания жидкостной пленки на поверхности катодного электрода.Known reactor / RF Patent No. 2496187 H01M 8/16 2012 /, using organic compounds of wastewater as fuel for electricity production. The anode and cathode zones, separated by a proton exchange membrane, are arranged so that each cathode zone is located between two plates of anode electrodes. For this, the cathode zones are introduced into the anode zone through rectangular openings in the upper reactor lid. The anode is a bundle of thin carbon fiber wound around the frame in the form of a parallelepiped, forming four surfaces of the fiber and four internal channels for the passage of the liquid phase, while the cathode is an air electrode with controlled supply of a minimum amount of cathode electrolyte to create a liquid film on the surface cathode electrode.

Ближайшим аналогом является биоэлектрохимический элемент /Патент РФ №153593 H01M 8/16 2015 г./, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется. Анод и катод выполнены из карбида кремния, анод запаян сверху, а у катода запаяна нижняя часть при этом, в верхней части имеется патрубок для аэрации, интенсифицирующей процесс восстановления атомов водорода до воды.The closest analogue is a bioelectrochemical cell / RF Patent No. 153593 H01M 8/16 2015 /, made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated. The anode and cathode are made of silicon carbide, the anode is sealed on top, and the lower part is sealed at the cathode, in the upper part there is a nozzle for aeration, which intensifies the process of restoration of hydrogen atoms to water.

Недостатками является то, что в представленных выше моделях невозможно произвести анализ среды (отбор проб, внесение субстрата или микробиологического препарата) во время работы элементов, без нарушения стерильности и герметичности. Так как нарушение герметичности сопряжено с нарушением анаэробных условий анодного пространства и подавляет генерирование электрической энергии, а нарушение стерильности приводит к появлению конкурентной, по отношению к биоагентам, микрофлоры.The disadvantages are that in the above models it is impossible to analyze the environment (sampling, introduction of a substrate or microbiological preparation) during the operation of the elements, without compromising sterility and tightness. Since a violation of tightness is associated with a violation of the anaerobic conditions of the anode space and inhibits the generation of electrical energy, and a violation of sterility leads to the emergence of competitive microflora with respect to bioagents.

Задача предлагаемой полезной модели направлена на устранение вышеуказанных недостатков.The objective of the proposed utility model is aimed at eliminating the above disadvantages.

Технический результат - повышение эффективности работы биоэлектрохимического элемента.The technical result is an increase in the efficiency of the bioelectrochemical element.

Поставленная задача достигается тем, что предлагается биоэлектрохимический элемент, выполненный в виде ячейки, разделенной протоннообменной мембраной на анодную камеру с анодом и катодную с катодом, при этом анодная камера герметична, а катодная аэрируется, отличающийся тем, что анодная камера в нижней части имеет патрубок с внешней резьбой и заглушку в виде пробки из полипропиленовой резины, герметично прижатой к патрубку при помощи колпачка с внутренней резьбой, накручиваемого на внешнюю резьбу патрубка.This object is achieved in that a bioelectrochemical cell is proposed in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated, characterized in that the anode chamber in the lower part has a nozzle with external thread and a plug in the form of a plug made of polypropylene rubber, hermetically pressed to the nozzle with a cap with an internal thread screwed onto the external thread of the nozzle.

Во время непрерывной и продолжительной работы биоэлектрохимического элемента необходим способ отбора проб для произведения экспресс-анализа жизнеспособности биоагента, а также периодическая подача специфических субстратов, концентрация которых падает в процессе генерирования электроэнергии. Поскольку в биоэлектрохимическом элементе наибольшее значение имеет сохранение стерильности и герметичности анаэробной камеры, необходим механизм, который позволит надежно и многократно производить манипуляции со средами и при этом не удорожать производство элемента. Для создания такого механизма в нижней части анодной камеры вырезается отверстие, к которому монтируется патрубок с внешней резьбой, наружный торец которого закрыт пробкой из полипропилена. Для крепления пробки использовался колпачок с внутренней резьбой, который герметично прижимал пробку к краям патрубка. Поскольку полипропиленовая резина обладает высокой стойкостью к кислотам, щелочам, солям и прочим агрессивным средам, а также возможностью использования в температурном диапазоне от -10 до 120°C, она идеально подходит для использования в биоэлектрохимическом элементе. При этом не оказывает токсического воздействия на микроорганизмы даже при длительном воздействии жидких сред, а также легко подвергается утилизации, не оказывая нагрузки на окружающую среду. Также полипропиленовая резина намного дешевле прочих материалов с подобными свойствами. Больше свойств полипропилена указанно в таблице 1, 2, 3 и 4.During the continuous and continuous operation of the bioelectrochemical cell, a sampling method is required to perform an express analysis of the bioagent's viability, as well as periodically supplying specific substrates whose concentration decreases during electricity generation. Since the preservation of the sterility and tightness of the anaerobic chamber in the bioelectrochemical cell is of the greatest importance, a mechanism is needed that will allow reliable and multiple manipulations with the media and at the same time not cost the cell production. To create such a mechanism, a hole is cut out in the lower part of the anode chamber to which a pipe with an external thread is mounted, the outer end of which is closed with a polypropylene stopper. To fix the cork, a cap with a female thread was used, which tightly pressed the cork to the edges of the pipe. Since polypropylene rubber has high resistance to acids, alkalis, salts and other aggressive environments, as well as the ability to use in the temperature range from -10 to 120 ° C, it is ideal for use in a bioelectrochemical cell. At the same time, it does not have a toxic effect on microorganisms even with prolonged exposure to liquid media, and is also easily disposed of without any environmental burden. Also, polypropylene rubber is much cheaper than other materials with similar properties. More properties of polypropylene are indicated in table 1, 2, 3 and 4.

Схема биоэлектрохимического элемента представлена на фиг. 1, где а - вид сбоку, б - вид спереди, в - вид сверху.A diagram of a bioelectrochemical cell is shown in FIG. 1, where a is a side view, b is a front view, and c is a top view.

Фиг. 1, где 1 - ячейка, 2 - анодная камера, 3 - катодная камера, 4 - протоннообменная мембрана, 5 - анод, 6 - катод, 7 - уплотнитель, 8 - токоснимающая часть, 9 - патрубок для аэрации, 10 - патрубок с резьбой для отбора проб, 11 - пробка из полипропилена, 12 - колпачок с резьбой, прижимающий пробку к патрубку.FIG. 1, where 1 is the cell, 2 is the anode chamber, 3 is the cathode chamber, 4 is the proton exchange membrane, 5 is the anode, 6 is the cathode, 7 is the sealant, 8 is the current collecting part, 9 is the aeration pipe, 10 is the threaded pipe for sampling, 11 - a plug made of polypropylene, 12 - a cap with thread, pressing the plug to the nozzle.

Предложенный биоэлектрохимический элемент в общем виде представляет собой ячейку 1. Она содержит два отсека - анодную 2 и катодную 3 камеры, разделенные ионоселективной мембраной 4. Корпус ячейки изготовлен из прозрачного органического стекла. Анод 5 и катод 6 закреплены в ячейке 1 посредством уплотнителя 7, сквозь который проходит токоснимающая часть 8, место контакта электродов с токоснимающей частью закреплено токопроводящим клеем. Для подачи воздуха в верхней части катода имеется патрубок 9, который соединен с воздушным компрессором. В нижней части анодной камеры располагается патрубок с резьбой 10, через который производится отбор и внесение сред с помощью шприца. Внешняя сторона патрубка 10 закрыта пробкой из полипропилена 11, которая прижимается колпачком с резьбой 12. Мембрана необходима как для пространственного разделения двух отделов реактора с неодинаковыми кислородными условиями (аэробная катодная и анаэробная анодная), так и для направленного переноса протонов водорода из анодной камеры в катодную.The proposed bioelectrochemical element in general is a cell 1. It contains two compartments - anode 2 and cathode 3 chambers separated by an ion-selective membrane 4. The cell body is made of transparent organic glass. The anode 5 and the cathode 6 are fixed in the cell 1 by means of a seal 7, through which the current collecting part 8 passes, the contact point of the electrodes with the current collecting part is fixed by conductive glue. For air supply in the upper part of the cathode there is a pipe 9, which is connected to an air compressor. In the lower part of the anode chamber there is a pipe with a thread 10, through which the selection and introduction of media using a syringe. The outer side of the nozzle 10 is closed by a plug of polypropylene 11, which is pressed by a cap with a thread 12. The membrane is necessary both for the spatial separation of the two departments of the reactor with different oxygen conditions (aerobic cathodic and anaerobic anodic), and for the directed transfer of hydrogen protons from the anode chamber to the cathode .

Устройство работает следующим образом: в анодную камеру 2 вносят биообъект, которыми могут выступать, к примеру, коммерческие микробиологические биоагенты, а также среду и субстрат. В катодную камеру 3 наливают аналогичную среду, погружают в камеры электроды 5 и 6, герметично закрепив их с помощью уплотнителя 7, подключают аэрацию с помощью патрубка 9. К токоснимающей части электродов 8 присоединяется измерительный прибор, например мультиметр, и фиксирует изменения ЭДС и силы тока. Через патрубок 10, прокалывая шприцем пробку 11, отбираются пробы для экспресс-анализа, также возможно вносить необходимые субстраты, среды или биоагенты.The device operates as follows: a biological object is introduced into the anode chamber 2, which, for example, commercial microbiological bioagents, as well as the medium and substrate, can act. A similar medium is poured into the cathode chamber 3, the electrodes 5 and 6 are immersed in the chambers, hermetically securing them with a seal 7, aeration is connected using the nozzle 9. A measuring device, for example, a multimeter, is connected to the current-collecting part of the electrodes 8 and records changes in the EMF and current strength . Through the nozzle 10, piercing the plug 11 with a syringe, samples are taken for rapid analysis, it is also possible to introduce the necessary substrates, media or bioagents.

Технический эффект - появление возможности многократно производить отбор проб из элемента без нарушения его работы, а также вносить необходимые компоненты и субстраты для биоагентов для длительной работы биоэлектрохимического элемента.The technical effect is the ability to repeatedly take samples from an element without disrupting its operation, and also to introduce the necessary components and substrates for bioagents for long-term operation of a bioelectrochemical element.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках реализации проектной части государственного задания в сфере научной деятельности (Задание №13.1263.2014/K от 11.07.2014).This work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation as part of the implementation of the design part of the state task in the field of scientific activity (Task No. 13.1263.2014 / K of 07/11/2014).

Claims

A bioelectrochemical cell made in the form of a cell separated by a proton exchange membrane into an anode chamber with an anode and a cathode with a cathode, while the anode chamber is sealed and the cathode is aerated, characterized in that the anode chamber in the lower part has a pipe with an external thread and a plug in the form of a plug made of polypropylene rubber, tightly pressed to the nozzle by means of a cap with an internal thread screwed onto the external thread of the nozzle.