2.2. Интегрированные микробные биотопливные ячейки, производящие электрохимически активные метаболиты в анодном отделении биотопливных ячеек

 

Микробные клетки, производящие газообразный H2 в процессе ферментации, были иммобилизованы непосредственно в анодном отделении H2/O2-топливной ячейки [21,22]. Вращающийся платиновый электрод был введен в суспензию микроорганизмов C. butyricum , затем суспензия была полимеризирована с акриламидом для формирования геля [21]. Ферментация проводилась непосредственно на поверхности электрода, снабжая анод водородным топливом. В этом случае некоторые дополнительные побочные продукты процесса ферментации (водород, 0.60 моль, муравьиная кислота, 0.20 моль, уксусная кислота, 0.60 моль; молочная кислота, 0.15 моль) [21] могли также использоваться как дополнительные топливные компоненты. Например, пируват, полученный по ур.3, может альтернативно окисляться до формиата посредством пируват-формиат лиазы (ур.8) [17,21]. Формиат, образующийся в метаболическом процессе, непосредственно окисляется на аноде, когда ферментационный раствор поступает в отделение анода (ур.9). Биотопливная ячейка, включающая приблизительно. 0.4 г влажных микробных клеток (приблизительно 0.1 г сухого материала) и работающая при оптимальных операционных условиях, дает на выходе Vcell = 0.4 В и Icell = 0.6 мА [21].  

Пируват-формиат лиаза (EC 2.3.1.54) - центральный фермент в бактериальном анаэробном метаболизме, катализирующем обратимую реакцию пирувата и кофермента в ацетилкоэнзим A и формиат.

 

 (8)

(9)

Необходимо отметить, что в случае использования платиновой черни в качестве анода окисление оригинального субстрата, используемого микроорганизмами в процессе ферментации (например, глюкозы), может генерировать анодный ток. Таким образом, H2, производимый микроорганизмами - главный, но не единственный источник анодного тока. Это было показано на ряде примеров. Есть много микроорганизмов, производящих метаболически восстановленные серусодержащие соединения (например, сульфиды, S2-, HS-, сульфиты, SO32-). Сульфат-восстанавливающие бактерии (например, Desulfovibrio desulfuricans) формируют специализированную группу анаэробных микробов, которые используют сульфат (SO42-) как конечный акцептор электронов для дыхания.

Простетическая группа железо-гидрогеназы из Desulfovibrio desulfuricans (A), Desulfovibrio desulfuricans бактерий в среде сульфата лактозы (B), и под люминесцентным микроскопом (C)  

 

Представители рода Desulfovibrio постоянно присутствуют в почве и водной среде обитания. Окружающие элементы в такой среде богаты органическим материалом и сульфатом. Выделение Desulfovibrio облегчается использованием бескислородной среды и молочнокислого сульфата с железом, включенным в культуру. Поскольку сульфат восстанавливается до сульфита, сульфит взаимодействует с железом, давая черную окраску среды (см. Рисунок B). Почернение культуры показывает, что имело место восстановление сульфата и что железо действует как детоксификатор по отношению к вредному сульфиду; таким образом, предоставляя большую возможность  роста сульфат-восстанавливающим бактериям. Для дальнейшего выделения сульфат-восстанавливающих бактерий могут использоваться два метода - в чашке Петри или в пробирках. Метод  встряхиваемой пробирки включает помещение малого количества жидкости с бактериями в агаровую ростовую среду и растворение. Как только среда затвердеет, появятся черные колонии бактерий, которые могут быть выращены в чистую культуру. Благодаря тому, что обычный Desulfovibrio найден и в водных, и в земных средах обитания, этот род наиболее изучен из сульфат-восстанавливающих протеобактерий.

 

Эти микроорганизмы дают сульфиды S2- при использовании субстрата (например, лактата) в качестве источника электронов (ур.10). Это микробиологическое окисление лактата с формированием сульфида использовалось для управления анодным процессом в биотопливных ячейках [24,25]. Сульфид микробного происхождения окисляется на электроде до сульфата или тиосульфата (ур.11,12).

(10)

(11)

(12)

Ферментационный раствор был составлен из микробной суспензии (приблизительно 108 неиммобилизованных клеток на мл) с пищевыми субстратами (главным образом, лактатом) в анаэробных условиях. Накопление сульфидов в среде приводит к ингибированию метаболического процесса бактерий из-за их взаимодействия с железосодержащими белками (например, цитохромами), что блокирует электронные транспортные системы. Чтобы предотвращать токсический эффект H2S, анод должен эффективно окислять его. Однако многие металлические электроды отравляются сульфидом из-за его сильной и необратимой адсорбции. Поэтому были использованы пористые графитовые электроды (100 см2, пропитанные 10 % гидроксида кобальта, который в присутствии S2- переходит в каталитически высокоактивную смесь оксида кобальта / сульфида кобальта) [24,25].  Биокаталитический анод был объединен с кислородным катодом (пористый графитовый электрод, 100 см2 геометрической поверхности, активизированный соединениями ванадия (V) и фталоцианином железа (II)), отделенным катионобменной мембраной для поддержания анаэробных условий в анодном отделении. В тестовых исследованиях [25]  выход электричества биотопливного элемента, состоящего из трех ячеек, соединенных последовательно, был Voc  = 2.8 В и Isc  = 2.5 - 4.0 (isc  приблизительно 30 мA/см2). Элемент был загружен с перерывами на период 18 месяцев, через ячейку проходило за 40-60 минут ежедневно около 6А. .  .


 

Микробиологическая ферментация в аэробных условиях использует O2 как конечный акцептор электронов. Показано, что аэробная ферментация Saccharomyces cerevisiae или Micrococcus cerificans бактерий в присутствии глюкозы в качестве пищевого субстрата в анодном отделении биотопливной ячейки приводит к анодному току [26-29]. Биотопливная ячейка в такой системе работает как O2-концентрирующая ячейка, использующая разность потенциалов, полученную на катоде и аноде благодаря потреблению кислорода в анодном отделении.

 

Фотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae.

 

Таблица 1 суммирует выход электричества, полученный в биотопливных ячейках, работающих без медиаторов электронного переноса и использующих природные продукты микробной ферментации (например, H2, H2S) в качестве токообразующих веществ 

Таблица 1. Примеры микробных биотопливных ячеек, использующих продукты брожения для окисления на аноде

Микроорганизм

Питательный

субстрат

Продукт

ферментации

Напряжение

на элементе

Ток

(плотность тока)

Анодc

Лит.

Clostridium
butyricum

Сточные

воды

H2

0.62 В
(при 1
W)

0.8 А

(при 2.2 В)

Ni, покрытый Pt,
165
см2
(5
анодов
)

[19]

Clostridium
butyricum

Моласса

H2

0.66 В
(при 1
W)

40 мА см-2
(при 1
W)

Ni, покрытый Pt
85 cm
2

[20]

Clostridium
butyricum

Лактат

H2

0.6 В d

120 мкА см-2 e

Pt чернь,
50 см
2

[21]

Enterobacter
aerogenes

Глюкоза

H2

1.04 Вd

60 мкА см-2 e

сталь, покрытая Pt
25
см2

[22]

Desulfovibrio
desulfuricans

Декстроза

H2S

2.8 В d

1 А

Графит,

импрегнированный

Co(OH)2 (3 анода)

[25]

аВ большинстве исследований биотопливный анод был объединен с O2-катодом. b Значение рассчитано на основе других данных с использованием закона Ома. c Площадь поверхности анода дается как геометрическая область. d Измерения с открытой цепью. e Измерения с короткой цепью. 

 

Представленный график показывает пример I - V зависимости микробной биотопливной ячейки [20]. Водород-продуцирующие бактерии Clostridium butyricum были иммобилизованы в агаровом геле. Иммобилизованные целые клетки использовали для непрерывного производства водорода из сточных вод завода по производству алкоголя. Показанная плотность тока была рассчитана относительно геометрической поверхности электрода. Электроды, используемые в биотопливных ячейках, имели очень грубую поверхность (платиновая чернь, коэффициент шероховатости приблизительно 400 - 1000), таким образом, плотность тока относительно реальной области поверхности электрода намного меньше.

Литература:

17. S. Suzuki, I. Karube, Appl. Biochem. Bioeng., 4, 281 (1983).

19. I. Karube, S. Suzuki, T. Matunaga, S. Kuriyama, Ann. N.Y. Acad. Sci., 369, 91 (1981).

20. S. Suzuki, I. Karube, T. Matsunaga, S. Kuriyama, N. Suzuki, T. Shirogami, T. Takamura, Biochimie, 62, 353 (1980).

21. I. Karube, T. Matsunaga, S. Tsuru, S. Suzuki, Biotechnol. Bioeng., 19, 1727 (1977).

22. S. Tanisho, N. Kamiya, N. Wakao, Bioelectrochem. Bioenerg., 21, 25 (1989).

23. C.C. Liu, N.A. Carpenter, J.G. Schiller, Biotechnol. Bioeng., 20, 1687 (1978).

24. M.J. Cooney, E. Roschi, I.W. Marison, C. Comniellis, U. von Stockar, Enzyme Microbial Technol., 18, 358 (1996).

25. W. Habermann, E.H. Pommer, Appl. Microbiol. Biotechnol., 35, 128 (1991).

26. H.A. Videla, A.J. Arvia, Biotechnol. Bioeng., 17, 1529 (1975).

27. E.A. Disalvo, H.A. Videla, Biotechnol. Bioeng., 23, 1159 (1981).

28. S.J. Yao, A.J. Appleby, A. Geisel, H.R. Cash, S.K. Wolfson, Jr. Nature, 224, 921 (1969).

29. S.K. Wolfson, Jr., L.B. Wingard, Jr., C.C. Liu, S.J. Yao, 'Biofuel Cells' in "Biomedical Applications of Immobilized Enzymes and Proteins", T.M.S. Chang (Ed.), Plenum Press, Vol. 1, pp. 377-389 (1977).