微生物燃料电池课件

1、刘秀峰起文斌微生物和酶燃料电池节目介绍剩余污泥微生物燃料电池酶及其催化作用微生物和酶燃料电池 剩余污泥 城市污水处理厂采用活性污泥法处理污水，在处理过程中伴随产生的大量的污泥。定义现状 据统计，2010年，我国污水处理厂产生的剩余污泥干重高达360万吨。这些剩余污泥必须经过一定的处理，才能排入环境中，然而污泥处理所需成本十分高。我国剩余污泥处置费用占整个污水处理厂总投资的2560。特性 成分复杂，其中包含重金属、病原菌、寄生虫卵及难降解合成有机物等有害物质。若不加以处理，将污泥直接排入环境中，会产生恶臭气体，造成“二次污染”最终严重危害到人类的身体健康。 从微生物所需营养考虑，剩余污泥含有大量

2、碳水化合物、蛋白质等营养物质及氮磷营养元素，具备作为MFC底物燃料的基本条件。 酶及其作用酶的催化机制：能显著提升化学反应速率(1)“锁和钥匙”模式酶与底物的结合有非常强的专一性，也就是对底物具有严格的选择性，即使底物分子结构有细微的变化，酶也不能将它转变为产物。(2)“诱导契合”学说“诱导契合”学说认为催化部位不是现成的，而要经过底物的诱导才能形成。这样就可以避免那些不适合的物质偶然 “落入” 现成的催化部位而被催化。 微生物燃料电池 微生物燃料电池是利用厌氧条件下的微生物作为生物催化剂，将储存在有机物中的化学能直接转化为电能的新型产电技术。（1） 微生物燃料电池的原理 微生物燃料电池产电的

3、基本原理分为5 个步骤：第一步是产电微生物氧化底物：通过微生物的代谢作用，底物在阳极室厌氧环境下被分解而释放出电子和质子；第二步是阳极还原：电子依靠合适的电子传递介体从微生物细胞传递至阳极表面，使电极材料发生还原反应而被还原；第三步是电子在外电路的传输：通过外电路传递到阴极从而形成有效电流；第四步是质子迁移：产生的质子通过质子交换膜传递到阴极；第五步是阴极的还原反应：阴极室中的电子受体即氧化态物质得到电子被还原。阳极电子传递(1) 生物膜接触传递与阳极表面直接接触的产电微生物，可通过c型细胞色素将细胞内呼吸链中电子直接传递至电极表面，原因可能是c型细胞色素内血红素基团间紧密排列，且相邻血红素的

4、铁卟啉平行或垂直的特殊结构，让电子可以在血红素基团间传递，在细胞色素间形成的蛋白复合物，使得每两个细胞色素上血红素基团排列靠近，让电子在细胞色素间也得以传递。（2)纳米导线辅助传递某些细菌的细胞表面存在一种可导电的纳米级菌毛，协助进行电子传递，这种产电菌的菌毛被称为纳米导线。(3) 电子穿梭传递利用氧化还原介体来进行电子传递。，二(1)底物燃料来源广泛，醋酸盐、葡萄糖等纯物质燃料及生活污水、垃圾渗滤液等复杂污染物都可最为MFC的燃料；(2)反应条件温和，MFC是利用微生物作为催化剂，在常温甚至低温下都能有效运行；(3)清洁、环保，MFC最终产生的气体是C02，其对环境无污染，无需处理；(4)无

5、耗能、高产能，MFC运行中，无需能量输入，仅需通风补充阴极的气体(02)或维持阴极与空气接触良好；(5)生物相容性良好，MFC可直接以人体内的葡萄糖作为燃料、氧气作为电子接受体，从而MFC能方便地植入人体内，作为心脏起搏器等人造器官的电源。在全球能源短缺与环境。特点如果三项结合？添加标题 酶技术作为一种低能耗、低污染、低成本、更安全的污泥预处理技术受到了广泛的关注，但对于污泥及预处理方式结合MFC技术的产电效率，仍缺乏系统研究。 微生物和酶燃料电池影响因素：温度，酶的种类和比例（1）温度对单一酶强化的SMFC 功率密度的影响 分别在40 、45 和50 条件下考察中性蛋白酶和-淀粉酶对剩余污泥

6、MFC 产电特性的强化效果（以功率密度衡量）.592 mW/m2P=UI/A=U2/（ReA）（2）（40度）混合酶对SMFC功率密度的影响（蛋白酶浓度：淀粉酶浓度）40条件下，酶比为2:3 时，复合酶促进污泥水解效率最高。功率密度有显著的提高。776 mW/m2 由于酶的催化作用具有高度的专一性，中性蛋白酶只能催化蛋白质水解为胨、肽或氨基酸，-淀粉酶只能催化淀粉水解为小分子的多糖甚至单糖，所以当只加入一种酶时（中性蛋白质或-淀粉酶）时，只能强化蛋白质或者淀粉或纤维素的水解，而另一种物质的水解得不到强化，因此污泥液相中溶解性可以被产电微生物直接利用的小分子有机物浓度就低，从而限制了产电性能。（3）混合酶强化剩余污泥燃料电池库仑效率电子回收率，也称为库伦效率（CE），即产生有效电流的电子总量与剩余污泥中有机物氧化所释放电子总量的比值。 随着淀粉酶比例升高，CE 有增大趋势。当酶比为1:4 时获得最高的C（18.3%）（4）碳纳米管的酶电极的制备展望 可再生的新能源与人们赖以生存的环