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生物燃料电池中若干关键问题重点：微生物燃料电池(少提一下：酶生物燃料电池）一：项目理论依据•生物燃料电池主要分为微生物和酶生物燃料电池两类，而污染的海水中富含微生物和少量酶生物，所以我考虑用污染的海水来做生物燃料电池的发电来源。•以下介绍相关理论依据生物燃料电池1.概念•燃料电池（fuelcell）：一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化成电能的电化学装置。•生物燃料电池（biofuelcell）：利用酶或者微生物组织作为催化剂，将燃料的化学能转化为电能的发电装置。生物燃料电池2.生物燃料电池的特点：•原料来源广泛；•操作条件温和；•生物相容性好；•生物燃料电池结构比较简单生物燃料电池3.分类•工作方式：酶生物燃料电池和微生物燃料电池•电子转移：直接生物燃料电池和间接生物燃料电池生物燃料电池几个概念•酶生物燃料电池：先将酶从生物体系中提取出来，然后利用其活性在阳极催化燃料分子氧化，同时加速阴极氧的还原；•微生物燃料电池：指利用整个微生物细胞作催化剂，依靠合适的电子传递介体在生物组分和电极之间进行有效的电子传递。•直接生物燃料电池：燃料在电极上氧化，电子从燃料分子直接转移到电极上，生物催化剂的作用是催化燃料在电极表面上的反应；•间接生物燃料电池：燃料不在电极上反应，而在电解液中或其他地方反应，电子则由具有氧化还原活性的介体运载到电极上去。生物燃料电池4.发展简史•1911，英国植物学家potter，开创；•剑桥大学cohen教授构建了微生物电池堆；•1970，生物燃料电池概念确定；•1980后，生物燃料电池输出功率有较大提高•2002，bond发现特殊微生物地杆菌；•2006，美国bruce教授、byung(韩国）和比利时willy教授在MFC上做了大量研究。二:项目的研究内容,研究目标，以及拟解决的关键问题•项目研究内容：用污染的海水来进行生物燃料电池的发电•项目研究目标：找出一种工艺或设备来用污染的海水进行生物燃料电池的发电•拟解决的关键问题：重点是解决发电效率低下，还有发电过程中内阻提高及传输过程中制约问题三、拟采取的研究方案、技术路线及可行性分析1:拟采取的研究方案及技术路线：针对微生物和酶生物燃料电池中的各自的关键问题分别提出研究方案再各自逐一解决问题。主要是解决问题的先后顺序可能对生物燃料电池发电效率的影响比较大，需要不断摸索顺序使效率最大化大。以下是微生物和酶生物燃料电池的关键问题及解决路线：生物燃料电池微生物燃料电池的关键问题•动力学问题：解决途径：1）选择产电效率高的菌种；2）选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率；3）增大阳极的表面积。生物燃料电池•内阻问题：内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要作用。1）PEM对内阻的影响2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响生物燃料电池•传递问题：反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解度低。设计空气阴极微生物燃料电池是重要发展方向。生物燃料电池酶生物燃料电池的关键问题----效率•三个技术难点•1：生物燃料电池阳极需要是三维的，这样就有足够的敏感度。阳极必须要使表面区域所需要的达到最佳化，孔越小，相对反应面积越大，反应速率越快。但孔太小，液态燃料的传送也就成了一个问题。•2：成功的固定化多酶系统是需要可以使燃料完全氧化成二氧化碳。目前的酶燃料电池的效率是比较低的，只能用单一的酶和将燃料部分氧化。这和细胞内可以使生物燃料完全氧化成二氧化碳和水是完全不同的。•3：阳极必须支持高效率的电荷转移机制，因此了解之间的相互作用，孔隙度，比表面积，以及电子和质子电导率至关重要。生物燃料电池酶生物解决方案：1、三维电极构造为了得到最大能量密度，三维电极需要具有多维和多向的孔结构多层面既提供了小孔，以支持酶的稳定和高负荷密度，也提供了大孔以支持液态燃料的传送，多向的结构提供了更大的表面积和通透性。最近已经开始探索利用壳聚糖聚合物材料有希望用来控制维度和方向性。生物燃料电池2、用于酶燃料电池电极的多酶阳极多酶电极是用固定在同一电极上的多种酶催化连续或同时发生的多个反应。多酶电极扩大了酶燃料电池可使用燃料的范围,提高了输出电流或电压,具有单酶电极难以达到的性能。我们可以将这些代谢路径的多级酶固定在电极的表面或者三维的截留聚合体。目前，我们尝试将多级酶联固定在一个特定空间结构的电极表面，这是为了减少传送过程的限制，将酶固定下来有利于在环境中保护酶。2:项目可行性研究•（一）必要性：（1）煤炭、石油、天然气，是当前人类生活中的主要能源。随着人类社会的发展和生活水平的提高，需要消耗的能量日益增多。可是这些大自然恩赐的能源物质是通过千万年的地壳变化而逐渐积累起来的，数量虽大，但毕竟有限。因此，人们终将面临能源危机的一天。•(二)当然，人们可以从许多方面获取能源。例如太阳能就是一个巨大的能源。此外像地热、水力、原子核裂变都可以放出大量的热能。在这方面，微生物也不甘落后。试验研究表明，利用生物发电，向人们展示出美好的前景。•（二）原理可行性研究：生物燃料电池的电子传递机理在微生物将电子传递到电池阳极的过程中，电子传递主要有三种方法：（1）使用外来的介体，例如钾、含Fe3+化合物、氰化物、硫堇、中性红等；（2）使用微生物产生的介体；（3）靠呼吸酶作用直接转移电子到电极。所以，有介体的MFC中微生物传输电子可以使用外来的介体，也可以使用微生物产生的介体；而无介体的MFC则是依靠微生物自身的呼吸酶作用将电子直接转移到电极上。•生物燃料电池的组成：典型的微生物燃料电池是由阳极、阴极和质子交换膜三个部分组成的。•（三）扩大生产的技术可行性研究：扩大生产的工艺流程：•斜面菌种→一级种子培养→二级种子培养→一级发酵罐→二级发酵罐→三级发酵罐→分离菌种→电池装配四、本项目的特色与创新之处•项目的特色：生物燃料电池中通入污染的海水，这样不仅能够产生更多的电能，如果试验成功，该系统就可以同时产生能量、处理污水并淡化海水，可谓一箭三雕。•项目的创新之处：五、研究计划及预期研究结果生物燃料电池微生物燃料电池Theworkingprincipleofmicrobialfuelcells生物燃料电池1.产电微生物•Electricigens:指那些能够在厌氧条件下完全氧化有机物成co2，然后把氧化过程中产生的电子通过电子传递链传递到电极上产生电流的微生物，同时微生物在电子传递过程中获得能量支持生长。•产电微生物种类：大肠杆菌、普通变形杆菌、枯草芽孢杆菌、梭状芽孢杆菌、嗜水气单胞菌等生物燃料电池•间接MFC：需要外源中间体参与代谢，产生电子才能传递到电极表面，如脱硫弧菌、普通变形杆菌和大肠杆菌等；•直接MFC：代谢产生的电子可通过细胞膜直接传递到电极表面；如地杆菌、腐败希瓦式菌和铁还原红螺菌等；生物燃料电池2.微生物驯化•MFC研究菌种大多单一菌种，来自菌种库或天然环境的混合菌；•研究热点：驯化过程、底物性质与电池性能、优势微生物鉴定；•常规做法：厌氧条件，直接用天然厌氧环境中的污泥、污水或污水处理厂的活性污泥接种，将外电路连通后观察各种性能的变化，定期更换培养液直到MFC性能稳定。生物燃料电池3.电子传递（三种形式）•细胞膜直接传递电子其电子直接从微生物细胞膜传递到电极，呼吸链中细胞色素是实际电子载体；提高电池功率，关键在于提高细胞膜与电极材料的接触效率。•由中间体传递电子氧化态中间体还原态中间体排除体外电极表面被氧化生物燃料电池微生物燃料电池结构及改进组成成分原料标注阳极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需阴极石墨、碳纸、碳布、铂、铂黑、网状玻碳必需阳极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃必需阴极室玻璃、聚碳酸脂、有机玻璃非必需质子交换膜质子交换膜、盐桥、玻璃珠、玻璃纤维和碳纸必需电极催化剂铂、铂黑、聚苯胺、固定在阳极上的电子介体非必需微生物燃料电池组成生物燃料电池1.电池结构•双室MFCs和单室MFCsMFCs从结构上分为双室MFCs和单室MFCs。典型的双室MFCs包括阳极室和阴极室,中间由PEM或盐桥连接。单室MFCs从电极构型上分为三类:阴阳极与膜压制成“三合一”电极、阴极与膜压制成“二合一”电极、无质子交换膜或加入多孔膜;从外形上又分为平板型和管型。单室MFCs通常直接以空气中的氧气作为氧化剂,无需曝气,因而具有结构简单和成本低的优点,更适于规模化。生物燃料电池•填料式MFCs管状ACMFCs在构型上和操作方式上与污水处理设备中的生物滤池颇为相似;填料型MFCs类似于流化床反应器。•质子交换膜(PEM)PEM对电池产电性能影响也很大。在双室MFCs中,PEM的作用不仅体现在将阳极室和阴极室分隔开和传递质子,同时还要能阻止阴极室内氧气扩散至阳极室。生物燃料电池•PEM用于单室MFCs在单室MFCs中,一般采用“二合一”电极,即将PEM热压在阴极内侧。但有学者认为不用PEM时电池的产电效果更好。无膜时,质子由阳极到阴极的传递速率加快,即电池内阻降低使得电池功率升高。另外,CE下降是因为去除PEM后,氧气易扩散至阳极区,消耗了电子。生物燃料电池•多级串联MFC生物燃料电池有介体的微生物燃料电池•合适的中间介体•中间介体具备条件：1）容易与生物催化剂及电极发生可逆的氧化还原反应；2）氧化态和还原态都较稳定，不会因长时间氧化还原循环而被分解；3）介体的氧化还原电对有较大的负电势，使电池两级有较大电压；4）有适当极性以保证能溶于水且易通过微生物膜或被酶吸附；5）对微生物无毒，且不能被微生物利用。生物燃料电池无介体的微生物燃料电池•概念：在无电子传递中间存在的条件下，直接将电子传递给电极，在闭合回路下产生电流，该类电池称为无介体微生物燃料电池或直接微生物燃料电池。•从废水或海底沉积物中富集的微生物群落也可用于构建直接微生物燃料电池。生物燃料电池•电子传递机理：1）细胞通过其细胞膜外侧的细胞色素C将呼吸链中的电子直接传递到阳极，如异化还原铁地杆菌、铁还原红螺菌等；2）细菌通过其纳米级的纤毛或菌毛实现电子传递，该菌毛或纤毛称为纳米电线（nanowire）。生物燃料电池微生物燃料电池的关键问题•动力学问题：解决途径：1）选择产电效率高的菌种；2）选择适合的不同菌种进行复合培养，使之在电池中建立这种所谓的共生互利关系，以获得较高的输出功率；3）增大阳极的表面积。生物燃料电池•内阻问题：内电阻的微降会显著地提高输出功率，说明其在提高电池的输出功率方面具有重要作用。1）PEM对内阻的影响2）PEM和电极的空间距离对内阻的影响3）电极间距离和电极表面积对系统内电阻的影响生物燃料电池•传递问题：反应物到微生物活性位间的传质阻力和阴极区电子最终受体的扩散速率是电子传递过程中的主要制约因素氧作为阴极反应的电子受体最大问题是水中的溶解度低。设计空气阴极微生物燃料电池是重要发展方向。生物燃料电池酶生物燃料电池微生物燃料电池和酶燃料电池的比较parameter微生物燃料电池酶燃料电池催化剂微生物酶使用寿命长短氧化能力完全氧化不完全氧化能量浓度低高成本高低膜表面分离器需要不需要生物燃料电池酶燃料电池的工作原理生物燃料电池生物酶燃料电池的最新研究进展•其中一个最重大的进展，就是生物燃料电池的生物阳极和生物阴极使用了新的技术，用直接电子转移取代了以前的间接电子转移。直接传递的好处在于使电子直接从催化剂传递到电极，中间使用传递媒介的这一问题得到解决。无介体酶生物燃料电池采用导电聚合物作为酶固定材料•第二关键是延长固定化酶的活性时间。酶是蛋白质，在缓冲液当中的寿命时间是八小时到两天，尽管固定在电极表面的酶的寿命可以延长到7到20天。近来，通过把酶封装在胶束聚合物中，可以使其活性延长到一年以上，这个胶束为酶提供了合适的PH还有生物可容性的环境，防止其变性生物燃料电池焦点-如何提高酶生物燃料电池的效率•三个技术难点•1：生物燃