微生物燃料电池
微生物燃料电池
骆沁沁20914133
摘要：微生物燃料电池以微生物作为催化剂，直接把化学能转化为电能，具有燃料来源广泛、反应条件温和、生物相容性好等优点。本文简述了微生物燃料电池的工作原理及其最新的研究进展：主要是无介体微生物燃料电池的研究和高活性微生物的选用。最后对微生物燃料电池的发展方向作出展望。
关键词：微生物燃料电池原理研究进展
Abstract: Microbial fuel cell is a device converting chemical energy into ele ctrical energy directly with the microbial-catalysts, which has the advantages of abundant fuel resource, mild reaction and good biology consistence. After the principles of microbial fuel cell introduced briefly, the research progress was reviewed. Researching mediator-less microbial fuel cell and high-activity microbial are the new direction in the study of microbial fuel cell. At last, the prospects of microbial fuel cell were described.
Key words: microbial fuel cell, principles, the research progress
1 前言
近些年来，化石燃料（煤、天然气、石油）的使用量逐年大量递增，据国内外学者统计，化石燃料的储备量仅能提供全球未来250年的能源使用，这引起了全球性的能源危机。因此，科学家一直在积极开发新能源。
而生物质能源一直是人类赖以生存的重要能源，它是仅次于煤炭、石油和天然气而居于世界能源消费总量第四位的能源，在整个能源系统中占有重要地位。但就目前而言，在我国，对于生物质能源技术开发进展缓慢，成熟技术少；缺乏行业标准，管理混乱；规模小，设备差，效益低。
研究发现，生物燃料电池是一种能量转化效率极高的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。生物燃料电池具有以下优点：（1）不受卡诺循环限制，能量转换效率高；（2）洁净、无污染、噪声低；（3）模块结构、积木性强，比功率高。既可以集中供电，也适合分散供电。生物燃料电池将是21世纪最有竞争力的全新的
高效、清洁发电方式洁净新能源，有绿能源之称，它的最大特点是燃烧或使用后不造成环境污染，有利于维持生态平衡。
近年来由于能源的日益紧张、人们环境问题的日趋重视，生物燃料电池己逐渐成为一个充满发展前景的研究领域。
2 生物燃料电池特点
生物燃料电池是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装置。生物燃料电池不仅在理论上具有很高的能量转化效率，同时它还有着一些自身的特点[1]：(1)原料广泛。生物燃料电池可以利用一般燃料电池所不能利用的多种有机、无机物质作为燃料，甚至可以利用光合作用或直接利用污水等[4]，使得利用废水发电成为可能。同时有研究表明，利用生物燃料电池去处理有机废水，其处理效率要高于常规生物处理法，而微生物增长量却要小于后者，这对于从源头上控制污泥产生量，真正在污水处理装置中实现污泥减量化具有重要的指导意义[10]。(2) 操作条件温和。由于使用酶或微生物作为催化剂，在近中性的常温、常压条件下工作。电池维护成本低、安全性强。(3) 具有生物相容性。利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体，作为心脏起搏器等人造器官的微型电源。
3 微生物燃料电池工作原理及分类
生物燃料电池按照催化剂的不同，大体上分为：微生物燃料电池和酶燃料电池。
生物燃料电池的构造如图一所示，燃料（葡萄糖等)于阳极室在催化剂（酶、微生物等)作用下被氧化，电子通过外电路到达阴极，质子通过质子交换膜到达阴极，氧化物（一般为氧气)在阴极室得到电子被还原。
在微生物燃料电池中使用微生物作为生化反应活性单元。这类电池电流来源可分为三类：
a.微生物通过发酵和新陈代谢产生电化学活性物质，这些电化学活性物质传统燃料电池的阳极上被氧化释放出电子和质子。
b.电子媒介体在微生物生化反应部位和电极间往返运送电子。介体分子在微生物细胞内被还原，在燃料电池的阳极上被氧化释放出电子和质子。
c. 通过微生物细胞与电极的直接接触将氧化有机物代谢所释放的电子通过胞外酶或素直接传递给电极。
图一微生物燃料电池原理图
在第一类微生物燃料电池中，最典型的就是利用生物产氢作为常规氢氧燃料电池的氢源。各种细菌和藻类如Escherichia coli，Enterobacter aero—genes，c．butyricum，Clostridi acetobutylicum和Clostridium perfringens等等在厌氧条件下均能发酵产氢[3]。C．butyricuⅢ被认为是产氢效率最高的细菌。在理论上，细菌每氧化1mol葡萄糖便可产生4mol氢气，但事实上生成的氢气只有理论值的25%。因此，通过遗传工程技术和筛选新的产氢菌改进氢气的产率对这一类燃料电池的发展非常重要。
第二类微生物燃料电池利用一些具有生物活性的氧化还原介体架起了微生物细胞与电极之间电子传递的桥梁。微生物细胞中电活性基团即酶的氧化还原活性中心存在在微生物细胞中，由于细胞膜的电绝缘导致了在细胞和电极间很难起直接的电子传递。可是，在介体的帮助下，细胞和电极表面之间可以像使用电线一样连接起来，形成电子通路。
用于这类微生物电池的有效电子传递介体，应该具备以下特性：
1．介体的氧化态易于穿透细胞膜到达细胞内部的还原组分，还原态易于传过细胞膜而脱离细胞。
2．其氧化态不干扰其他的代谢过程
3．其氧化还原电位要与生物体电子传递链的氧化还原电位相匹配
4．其必须是化学稳定的，可溶的，并且可在细胞和电极表机均不发生吸附
5．其在电极上的氧化还原反应速率非常快，且有很好的可逆性
第三类微生物燃料电池中，金属还原细菌利用其胞外酶或素将电极作为末端电子受体直接将代谢过程中产生的电子传递给电极。
4 微生物燃料电池研究进展
微生物燃料电池最初的构想由燃料电池而来。
英国人w．Grove早在1839年就提出了氢和氧反应可以发电的原理，也就是最早的氢一氧燃料电池(FC)。
1910年，英国植物学家Michael Cresse Potter把酵母或大肠杆菌放入含有葡萄糖的培养基中进行厌氧培养，其产物能在铂电极上显示0.3-0.5V的开路电压和0.2mA的电流，生物燃料电池的研究由此开始[2]。
20世纪30年代起，随着航天研究领域的迅速发展，对微生物燃料电池研究的兴趣随之升高。原因之一是考虑将来人类在进行太空飞行时，如何及时处理飞行中的生活垃圾，并产生电能。
80年代以后，随着各种氧化还原介体的使用，生物燃料电池的电流密度和功率有了很大提高，越来越多的科研人员对此产生兴趣。
Tanaka等研究人员将能够产生光合作用的藻类用于生物燃料电池，展示了光燃料电池新种类的可行性，他们的电池使用的催化剂是蓝绿藻。通过试验前后细胞内糖原质量的变化，他们发现在无光照条件时，细胞内部糖原的质量在试验中减少了；同时还发现在有光照时，电池的输出电流比黑暗时有明显的增加[5]。
Karube和Suzuki用可以进行光合作用的微生物Rhodo spirillumrubrum发酵产生氢，再提供给燃料电池。除光能的利用外，更引人注目的是他们用的培养液是含有乙酸、丁酸等有机酸的污水。发酵产生氢气的速率为19-31ml/min，燃料电池输出电压为0.2-0.35V，并可以在0.5-0.6A的电流强度下连续工作6小时[6]。
Habermann和Pommer进行了直接以含酸废水为原料的燃料电池实验。他们使用了一种可还原硫酸根离子的微生物Desul fovibriodesul furicans，并制成了管状微生物燃料电池。在对两种污水的实验中，降解率达到35%-75%。此工作显示了生物燃料电池的双重功能，即一方面可以处理污水，另一个方面还可以利用污水中的有害废物作为原料发电[7]。
5 微生物燃料电池新进展
微生物燃料电池所用微生物有大肠杆菌、普通变型杆菌等。由于微生物催化反应较复杂、副产物多且难以控制。微生物燃料电池很少用于直接供电，主要用于生物传感器、处理污水或微生物的培养及性能测定等。
5.1无介体微生物燃料电池
微生物细胞膜含有类脂或肽聚糖等不导电物质，电子难以穿过，因此微生物燃料电池大多需要介体。Choi等[8]发现细胞膜上饱和、不饱和脂肪酸的比率与库仑产量成反比，介体对细胞膜的渗透能力是电池库仑效率的决定因素。由于常用介体价格昂贵，无介体生物燃料电池的出现大大推动了燃料电池的商业化进展。腐败希瓦菌类细菌的细胞外膜上存在细胞
素，它具有良好的氧化还原性能，可在电子传递过程中起到介体的作用，且它本身就是细胞膜的一部分，不存在渗透能力问题，从而可设计出无介体高性能的生物燃料电池。
5.2高活性微生物的选择
目前微生物燃料电池的库仑产率和电流密度都不高，因此高活性微生物的选择尤其重要。Park等[9]利用燃料电池来培养并富集具有电化学活性的微生物。他们从电池阳极区中分离出梭状芽孢杆菌，并测定其电化学性能。以其为催化剂，以葡萄糖为燃料的燃料电池电流可达0.22mA。Pham等用同样的方法分离
生物能源并研究菌株亲水性产气单胞菌，以其为催化剂，以酵母提取物为燃料的燃料电池电流可达1.8mA。值得注意的是，以上两个实验用来培养菌株的燃料电池都是以污水为燃料，前者用的是淀粉加工污水，后者用的是含醋酸钠污水。这为微生物燃料电池的应用拓宽了空间。
6展望
综上所述，微生物燃料电池的应用主要集中在以下三个方面：
1)．微生物燃料电池可作为植入人体的的电子元件如心脏起搏器等的电源。为这些电子元件提供稳定、可靠、能长时间工作的电源一直是一个未得到圆满解决的问题，而微生物燃料电池正好能满足作为这些电子元件的电源的要求。它能利用有机物和氧气作为燃料来产生电能。在理想状态下，微生物燃料电池能将有机物彻底氧化成二氧化碳和水。在人类的血液中同时存在葡萄糖和溶解氧，微生物燃料电池的能利用它们作为燃料来产生电能。
2)．作为移动电源。利用微生物燃料电池能充分利用自然界中广泛存在的有机物和氧气作为燃料来源的特征，美国South Florida大学的Stuart wilkinson研制出了不需要认为提供能源的“自给自足”机器人。它用微生物电池提供的电能作为驱动力，能自动从自然界摄取有机物和氧气作为微生物燃料电池的燃料来产生电能。其最大的特点是具有独立生存的能力。
3)．处理废水。生产和生活污水中含有大量有机物可作为微生物燃料电池的燃料。有研究表明。利用生物燃料电池去处理有机废水，其处理效率要高于常规生物处理法，而生物量增加却要小于后者。这意味着区别于传统厌氧和好氧污水处理方式的一种新型的污水处理方法的萌芽。
不管是作为电源还是用来处理污水，提高微生物燃料电池的功率和电流输出对微生物燃料电池能否成功应用起着至关重要的作用。今后的发展方向必将致力于进一步提高电池的电流密度和功率。
近年来生物技术的巨大发展和燃料电池研究的不断进步给生物燃料电池的研究提供了良好的技术基础和外部条件，在不远的将来一定会取得突破性进展!

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